地震灾害对铁路桥梁的影响及其抗震设计方案与减隔震控制研究

地震灾害对铁路桥梁的影响

及其抗震设计与减隔震控制研究

李龙安

<中铁大桥勘测设计院有限公司教授级高工，湖北武汉 430050）

摘要：通过汶川大地震的多座典型桥梁的震害，分析了此次大地震对公路桥梁破坏重而对铁路桥梁破坏较轻的机理，根据铁路桥梁的结构特点，从铁路桥梁的抗震概念设计、抗震计算设计、抗震构造设计等三个方面着手，提出了铁路桥梁各设计阶段应有主辅之分的抗震设计思想，指出了减轻铁路桥梁震害的有效途径之一是采用减隔震控制技术。

关键词：铁路桥梁震害；抗震设计；减震控制技术；隔震控制技术；研究

1 概述

2008年5月12日四川汶川发生8级强烈地震，作为灾后救援的生命线工程——道路桥梁工程遭到全面破坏，使救援部队不能按时到达灾区第一线，给国家、社会和人民的生命财产带来了巨大损失。

此次大地震虽过去了将近两年，但反思这次特大地震，再一次给我们铁路工程建设者敲响了警钟，铁路桥梁工程的安全及抗灾能力，直接关系到人民生命和财产的安全，建设者必须重视，作为建设工程的重要参与者——广大的设计人员更应高度重视。

通过汶川大地震的多座典型桥梁的震害，分析了此次大地震对公路桥梁破坏重而对铁路桥梁破坏较轻的机理，根据铁路桥梁的特点，从铁路桥梁的抗震概念设计、抗震计算设计、抗震构造设计等三个方面出发，提出了铁路桥梁在不同设计阶段的设想：工可研究阶段的抗震设计应以概念设计为主，计算和构造设计为辅；初设阶段的抗震设计应以计算设计为主，构造设计为辅；施工图设计阶段的抗震设计则主要以构造设计为主，计算设计为辅。指出了减轻铁路桥梁震害的有效途径之一是采用减隔震技术。

2汶川大地震的桥梁震害

2.1 公路桥梁的震害

汶川大地震中，作为灾后救援的生命线工程——道路桥梁工程遭到全面破坏。但公路桥梁和铁路桥梁的破坏程度有所不同，破坏部位也有差别。公路桥梁的震害主要是：<1）落梁：连续梁和简支梁落梁

桥例：都汶高速庙子坪大桥落梁的一孔是在伸缩缝的位置，其他几孔50m简支T梁破坏主要是挡块被剪切破坏，见图2-1。

<2）拱桥破坏：从破坏现象看，因落梁或者拱腿断裂所致

桥例：彭州小鱼洞大桥的破坏，见图2-1。

<3）移位：支座滑动和梁体滑移

桥例：见图2-1。

<4）碰撞破坏：梁与梁之间、梁与挡块之间的碰撞导致伸缩逢和挡块的破坏桥例：见图2-1。

<5）墩台破坏：墩柱、节点和桥台的破坏

桥例：见图2-1。

图2-1 公路桥梁的震害图

2.2铁路桥梁的震害

据成都铁路局初步统计, “5.12”汶川大地震，共有270余座铁路桥开裂及支座破坏,经过临时处理后运行,严重影响铁路运营速度。铁路桥梁的震害主要是：

<1）支座破坏

支座螺栓被剪断、被拔出；支座限位装置破坏；辊轴支座上、下摆错位，见图2-2。

<2）墩台破坏

墩身出现贯通的环状裂缝；墩身混凝土局部崩裂；桥墩侧倾移位；桥台移位等，见图2-2。

<3）落梁

本次地震引发的铁路桥梁落梁较少，见图2-2。

图2-2铁路桥梁的震害图

3汶川大地震的桥梁震害机理分析

3.1 “5.12”汶川大地震的特点

“5.12”汶川大地震有如下特点：

<1）震级很高<8级）；

<2）地震动峰值加速度大<震中区高达1.6g）；

<3）影响范围广<主震区长约300公里，宽约30～40公里）；

<4）生命财产损失惨重<死亡和失踪人数近9万人，经济损失超过10000亿人民币。其中四川省灾区公路受损2.2万公里，国省干线公路3391公里受损桥梁902座）。

3.2“5.12”汶川大地震的桥梁震害机理分析

“5.12”汶川大地震的桥梁震害特点分析如下：

（1）公路桥梁震害重，铁路桥梁震害轻

铁路桥梁与公路桥梁相比：前者活载重，后者活载轻，由此决定了铁路桥梁的列车活载占整个桥梁的荷载比例较大，再加上列车的车桥振动的影响，有安全性和舒适性的硬性要求，因此，铁路桥梁的桥墩往往设计得“又粗又大”，基础“又深又宽”；反观公路桥梁，由于其活载占整个桥梁的荷载比例较小，相比较而言的是其桥墩的设计往往是“又细又小”，基础是“又浅又窄”。

基础的深浅，直接导致地震波的输入的大小，基础越深，越接近“基岩”，输入到结构上的地震动峰值加速度相对较小，基础越浅，越接近地表，输入到结构上的地震动峰值加速度是经过放大了的，比基岩处的要大。

公路桥梁桥墩和基础的易损性和输入较大的场地地震动参数的实际情况，决定了公路桥梁在地震作用下的危害性较大；相对地，铁路桥梁桥墩和基础的特点，导致其抗震性能的提高，再加上输入较小的场地地震动参数的实际情况，因此，铁路桥梁在地震作用下的危害性相对较小。

（2）桥梁的震害具有明显的方向性

此次汶川大地震，造成了震中区大量的公路桥梁的破坏，而地处震中区的广岳铁路也未能幸免，可见，在地震震中区，由于场地的地震波能量巨大，无论什么结构均要受到严峻的考验，都要发生较大地破坏；但与断裂带几乎平行的成绵高速公路和广绵高速公路上的公路和铁路桥梁的震害并不十分严重，与成绵高速和广绵高速几乎平行的宝成铁路线上的铁路桥梁震害，除了部分铁路桥梁的支座出现损坏外，其余的部位受损情况并不十分严

重，因此此次汶川大地震的地震具有明显的方向性。

（3）地震次生灾害山体滑坡和崩塌对沿溪沿河的桥梁损害较大。

此次汶川大地震的次生灾害主要是山体滑坡和崩塌，巨大的滑坡体和崩塌的岩石摧毁建于沿溪沿河的众多桥梁，乃是这次发生在大山深处的汶川大地震的桥梁震害特点之一。4地震动峰值加速度较高地区的铁路桥梁抗震设计的启示与建议现阶段，虽然铁路桥梁与公路桥梁的抗震设计规范有一些不同，但铁路桥梁和公路桥梁的抗震设计的基本理论是相同的。在铁路桥梁的设计阶段，一般包括预可研究、工可研究、初步设计、施工图设计等几个阶段，2006年之前，铁路桥梁的抗震设计主要依据《铁路工程抗震设计规范》

“震害是最好的老师”，从此次汶川大地震的震中区的桥梁震害，我们得到了诸多的启示和值得进一步关注的主要问题。

4.1在工可研究阶段强化抗震概念设计，选择合理的桥位和桥型

铁路桥梁工程可行性研究阶段，主要是解决桥位问题，同时也要考虑桥型问题，那么，在地震动峰值加速度较大的地区，对桥位和桥型究竟如何考虑？是摆在设计人员面前的一个重要问题。从汶川大地震的桥梁震害，我们得到如下的启示和建议：<1）在工可阶段应强化抗震概念设计

铁路桥梁的抗震概念设计包括正确的桥位场地选择、合理的结构选型和布置、恰当的结构体系的采用。

<2）桥位场地的选择

要基于桥址处场地的地质和地形条件，高山峡谷地区的桥梁要注意大地震后的次生灾害山体的滑坡、崩塌和泥石流；基础应建在岩石或坚硬的冲积层上。

<3）合理的结构选型和布置

由于弯坡桥梁使地震反应复杂化，桥轴线尽可能设计成直线；简支梁容易落梁，桥面应是连续的，尽可能少用伸缩缝；或设置防落梁装置；桥跨应尽量布置成小跨径；桥台和桥墩应与桥轴线垂直。

（4）恰当的结构体系的采用

结构体系的合理与否，直接关系到结构各部位的地震作用大小，理想的桥梁结构应是越简单和越规则越好，传力途径要短，受力要简明。

4.2在初步设计阶段强化抗震计算设计，确定合适的设防标准和验算准则