中國是個多地震的國家，地震活動的范圍廣、強度大、頻率高。在全球大陸地區(qū)的大地震中，約有四分之一至三分之一發(fā)生在我國，造成了巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失，有多座城市曾毀于地震。2021年以來，我國發(fā)生了2021年“5·22”青海瑪多地震、“9·16”瀘縣地震和2022年“1·8”門源地震等10余次不同震級的地震，一些地震對公路基礎(chǔ)設(shè)施造成較大的破壞和影響。
?
?
?
在國家和各地的重要交通通道中，在人民的日常生產(chǎn)生活當(dāng)中，橋梁往往是生命線工程的關(guān)鍵部分，在震后的緊急救援和抗震救災(zāi)、災(zāi)后恢復(fù)重建中具有極其重要的地位。當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害來臨時，震區(qū)橋梁的破壞意味著生命線的中斷，直接阻礙了救災(zāi)行動，加大生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟(jì)損失，給災(zāi)后恢復(fù)與重建帶來巨大困難。
?
地震時一旦橋梁發(fā)生坍塌，也會瞬間引爆輿情。我國橋梁的抗震設(shè)計水平如何？我國在橋梁建設(shè)上有沒有應(yīng)對地震的辦法？有哪些措施和考量？
?
下面就和大家聊一聊梁橋抗震這些事。
?
地震是人類面臨的最致命自然災(zāi)害之一
?
我們先來了解一下什么是地震？
?
人類生活的地球，就像我們的脈搏，從它形成那一刻起，就從來沒有停止過顫動，地球在漫長的構(gòu)造運動中逐漸演化成目前深不見底的海溝，高聳入云的山峰。地球表面的隆起和沉陷造成瞬間快速的顫動就是地震。地震在空間、時間上發(fā)生的不確定性大大增加了預(yù)測的困難度，短臨地震預(yù)報是人類尚未攻克的世界性難題。
?
按地震成因可將地震劃分為構(gòu)造地震、火山地震、塌陷地震等。由于地球內(nèi)部構(gòu)造運動引起的地下深處巖層錯動、破裂所造成的地震是構(gòu)造地震。全球所發(fā)生的90%以上的地震屬于這類地震，破壞力也最大。
?
用來衡量地震強度大小的尺子有兩把，一把叫地震震級；另一把叫地震烈度。地震的震級反映的是地震能量的大小,可根據(jù)地震儀器的記錄計算出來，一次地震只有一個震級。目前世界上記錄到的最大地震震級是1960年5月22日發(fā)生在南美智利的9.5級地震。
?
地震烈度是地震對地面影響和破壞程度的尺度，按照《地震烈度表》，共分為Ⅰ級～Ⅻ級等級。一次地震只有一個震級，但一次地震在不同地區(qū)的烈度是不同的。一般而言，震中地區(qū)烈度最高，隨著震中距加大，烈度逐漸減小。地震烈度還與震源深度有關(guān)，震源越深，震中區(qū)烈度越小。有的地震震級不高，卻因震源淺而造成地面嚴(yán)重破壞。
?
這太專業(yè)了，簡單來說，地震震級好比不同瓦數(shù)的日光燈，瓦數(shù)越高能量越大，震級越高。烈度好比屋子里受光亮的程度，對同一盞日光燈來說，距離日光燈的遠(yuǎn)近不同，各處受光的照射也不同，所以各地的烈度也不一樣。
?
由于地震的復(fù)雜性和高度不確定性，人類對地震科學(xué)及地震災(zāi)害科學(xué)的研究還有許多尚未探明之處。1976年唐山地震之前，唐山地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為VI度區(qū)，當(dāng)唐山地震7月28日發(fā)生時，唐山市區(qū)大部分陷入地震烈度高達(dá)XI度的極震區(qū)，多數(shù)結(jié)構(gòu)物倒塌，震害嚴(yán)重，X度區(qū)橋梁破壞嚴(yán)重，Ⅷ度區(qū)橋梁受到不同程度的損壞，甚至倒塌。發(fā)生在1994年的美國北嶺（Northridge）地震，記錄到的地面運動的加速度峰值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定的設(shè)計地震動水平，對洛杉磯地區(qū)高速公路系統(tǒng)的破壞十分嚴(yán)重，在調(diào)查的640座橋梁中，5座橋梁部分塌落或者完全倒塌。
?
大量地震調(diào)研表明，地震造成的強地面振動和發(fā)震活動斷層地表破裂/錯動是導(dǎo)致破壞的兩個主要因素，其中沿活動斷層產(chǎn)生的地震地表破裂/錯動的破壞力巨大，在活動斷層沿線展布的地震地表破裂帶內(nèi)，建（構(gòu)）筑物均遭受了嚴(yán)重的毀壞，會形成地震災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)帶。1999年的中國臺灣集集地震，地表破裂位錯水平及垂直方向最大值均接近和超過10米，平均錯位約為4米，跨發(fā)震斷層—車籠埔斷層的建筑物很難承受如此巨大的地動位移，幾乎完全毀壞，而離開此斷層一段距離的建筑物震害就小很多。
?
受震害最多的橋型是梁橋
?
地震的基本知識了解完了，我們再來聊一聊地震對橋梁的影響。
?
截至2020年年底，我國公路橋梁91.28萬座，量大面廣的梁橋占比超85%。
?
梁橋震害包括上部結(jié)構(gòu)震害、下部結(jié)構(gòu)震害、支座震害、基礎(chǔ)震害及次生震害等。
?
上部結(jié)構(gòu)自身因直接地震動力效應(yīng)而毀壞的現(xiàn)象較為少見，但因支承連接件失效或下部結(jié)構(gòu)失效等引起的落梁、主梁的移動、扭曲、裂縫等現(xiàn)象，在破壞性地震中常有發(fā)生，其中落梁現(xiàn)象最為嚴(yán)重。2008年四川汶川地震中，梁橋主梁的移位震害最為普。
?
?? 汶川地震南壩大橋（施工中）落梁震害
??
?? 青海瑪多地震昌麻河大橋落梁（1977年建成）
?
地震引起下部結(jié)構(gòu)震害主要是橋墩的破壞，橋墩無法抵抗自身的慣性力或上部結(jié)構(gòu)傳來的上部結(jié)構(gòu)地震力，因延性、強度不足而破壞。震害進(jìn)一步發(fā)展，會導(dǎo)致斷裂面上下的墩身移位，最終使斷裂面以上的墩身翻落而釀成更大的震害。
?
?
汶川地震百花大橋橋墩彎剪破壞
?
橋梁支座是橋梁抗震的薄弱部位，震害極為普遍，相鄰梁互相碰撞或梁的縱、橫向位移，大多數(shù)都是以支座破壞為前導(dǎo)破壞形式，主要表現(xiàn)為支座錨固螺栓拔出剪斷、活動支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞。
?
地震引起地基的液化，使地基承載力下降，會引起橋梁基礎(chǔ)的下沉。橋梁墩臺的沉陷多出現(xiàn)在承載力不高的砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂土等地基中。地基的液化使得地基的剪切強度大大降低，橋梁基礎(chǔ)及橋臺受靜土壓力和地震土壓力的作用而沿液化層水平滑移或轉(zhuǎn)動。
?
地震所引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生災(zāi)害對橋梁的損毀嚴(yán)重，是汶川地震較為嚴(yán)重的震害形式。
?
汶川地震魚子溪2號橋被落石砸垮
?
梁橋所有震害中，落梁和砸毀是橋梁最嚴(yán)重的震害之一，不僅造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失，更是中斷了抗震救災(zāi)的生命線，影響巨大。
?
因此，這也成為了引發(fā)公眾輿論的重要因素之一。
?
抗震設(shè)計理念不斷更新 規(guī)范基本完備
?
那么對于橋梁抗震，我們是否有辦法應(yīng)對呢？
?
答案是有的。
?
其實，每次工程震害的總結(jié)和反思是發(fā)展抗震救災(zāi)理論、改進(jìn)抗震技術(shù)、修訂抗震規(guī)范的重要基礎(chǔ)。特別是近30年來，隨著1994年美國Northridge地震、1995年阪神地震、2008年汶川地震等的發(fā)生，推動了橋梁抗震設(shè)計理論和減震技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。
?
這些年，公路行業(yè)高度重視公路橋梁的抗震安全性，以抗震規(guī)范制修訂為主要抓手，持續(xù)推動行業(yè)抗震設(shè)計的技術(shù)進(jìn)步，使抗震理念更加科學(xué)，抗震措施更加有效，提升公路橋梁抗震防災(zāi)的能力。
?
1977年，交通部頒布實施了我國首部《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“77規(guī)范”)，總結(jié)了海城地震和唐山地震對鐵路和公路交通干線橋梁的震害教訓(xùn)，公路橋梁的抗震設(shè)計有了基本依據(jù)；1989年，交通部修訂頒布了《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（簡稱“89規(guī)范”）。
?
從設(shè)計理念和方法來講，這兩部抗震規(guī)范均采用了一水準(zhǔn)抗震設(shè)防，一階段抗震設(shè)計，只驗算結(jié)構(gòu)強度，抗震計算則采用等效靜力法和反應(yīng)譜法。
?
2008年5.12汶川地震后，交通運輸部頒布了《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（簡稱08抗震細(xì)則），采用了兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計的抗震設(shè)計理念和方法，由單一的依據(jù)強度驗算的抗震設(shè)計調(diào)整為依據(jù)強度和變形雙重指標(biāo)控制的抗震設(shè)計。
?
2013年，交通運輸部頒布了《公路工程抗震規(guī)范》（簡稱13抗震規(guī)范），系統(tǒng)形成了兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計的抗震設(shè)計理念和設(shè)計方法，增加了橋梁延性設(shè)計和減隔震設(shè)計的基本要求。
?
2020年，交通運輸部修訂頒布了《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（簡稱20抗震規(guī)范），進(jìn)一步完善和補充了08抗震細(xì)則，并將計算地震作用系數(shù)取值由2.25提高到2.5，提高抗震設(shè)計的要求，引入了“抗震構(gòu)造措施等級”的新概念。
?
總體來說，我國公路橋梁抗震規(guī)范體系已經(jīng)形成，主要包括《公路工程抗震規(guī)范》JTG B02-2013、《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》JTG/T 2231-01-2020，能夠指導(dǎo)公路橋梁的抗震設(shè)計。13抗震規(guī)范是20抗震規(guī)范的上位標(biāo)準(zhǔn)，對公路工程的構(gòu)造物，包括橋梁、隧道、擋土墻、路基、地基與基礎(chǔ)等提出總的抗震要求，是公路工程抗震設(shè)計的頂層設(shè)計規(guī)范，是工程初步設(shè)計方案確定階段重點使用的規(guī)范。20抗震規(guī)范是一個細(xì)化的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，是施工圖階段工程師要使用的規(guī)范。
?
根據(jù)近年來發(fā)生的7.1級玉樹地震、6.5級魯?shù)榈卣稹?.6級昭通地震、7.4級瑪多地震的震后調(diào)查，橋梁的主體結(jié)構(gòu)基本完好。以上結(jié)果，與量大面廣的公路橋梁采用了科學(xué)的理念和較高的設(shè)計要求以及各類抗震構(gòu)造措施密切相關(guān)，也說明了我國的公路橋梁抗震規(guī)范是合理適用的。
?
持續(xù)完善抗震規(guī)范 全面提升橋梁抗震防災(zāi)能力
?
改革開放以來中國橋梁實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，未來其安全性、耐久性及安全保障問題將是進(jìn)一步解決的主要問題。
?
提升公路橋梁抗震減災(zāi)能力是提高橋梁安全水平的重要一環(huán)。國務(wù)院在2021年7月公布了《建設(shè)工程抗震管理條例》，從國家層面對建設(shè)工程抗震提出了總體要求，要求進(jìn)一步提高建設(shè)工程的抗震防災(zāi)能力，降低地震災(zāi)害風(fēng)險，保障人民生命財產(chǎn)安全。
?
作為基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)的《公路工程抗震規(guī)范》JTG B02-2013自頒布至今已近十年，國家對抗震防災(zāi)提出了新的要求，新一代中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖已頒布實施，工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)理論和技術(shù)、抗震結(jié)構(gòu)型式以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)都取得了重大進(jìn)展，可以及時將相關(guān)成果納入行業(yè)抗震標(biāo)準(zhǔn)中，因此交通運輸部在2020年啟動了規(guī)范的修訂工作，中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司牽頭對抗震規(guī)范修訂。此次修訂，結(jié)合抗震團(tuán)隊研究成果、地震震害調(diào)研和思考等，系統(tǒng)提出了公路工程抗震共性技術(shù)及要求，強化了抗震概念設(shè)計、防落梁措施及風(fēng)險管控，提出了基于新型支座和防落梁措施的梁橋抗震結(jié)構(gòu)體系。
?
抗震設(shè)計主要經(jīng)驗
?
首先需要選擇好線路，利用對抗震有利的走廊帶通過，選好橋位，降低地震風(fēng)險和損失。由于高地震烈度區(qū)地震對橋梁破壞力巨大，因此中小跨徑橋梁盡量采用簡支或橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)型式，大跨橋梁宜選擇多跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)型式，橋墩高度宜協(xié)調(diào)一致。地質(zhì)條件差的地段，對跨越斷裂帶的宜采用簡支梁橋、大跨柔性體系橋或者采用隔震基礎(chǔ)。存在落石、泥石流等不良地質(zhì)條件的地段，采用隧道或加大橋梁跨徑等方案。
?
再有就是橋梁細(xì)部構(gòu)造很重要。一是要預(yù)留足夠的墩（臺）與梁端位移空間，以降低落梁和梁端碰撞的風(fēng)險。二是設(shè)置合適的抗震擋塊，限制強烈地震作用下主梁的過大位移，擋塊與主梁間可設(shè)置橡膠墊等，以避免直接碰撞。三是在主梁之間、主梁與墩（臺）之間可設(shè)置拉索、鋼拉桿等防止落梁的連梁裝置。四是合理選擇減隔震裝置。懸索橋、斜拉橋、拱橋應(yīng)設(shè)置必要的阻尼裝置。鼓勵推廣應(yīng)用技術(shù)可靠、性能穩(wěn)定的減隔震支座。中小跨徑橋梁更適合使用改進(jìn)型板式橡膠支座。
?
結(jié)束語
?
地震具有高度不確定性、隨機性，具有持續(xù)時間短、能量釋放劇烈等特點，人類對地震的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這給橋梁結(jié)構(gòu)的安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。但我們可以抗震規(guī)范為基本抓手，強化概念設(shè)計，加強監(jiān)測，降低風(fēng)險，進(jìn)一步強化抗震減震產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化，設(shè)置好“防落梁”保險絲，顯著提升公路橋梁抗震防災(zāi)能力。
?
?
?
?
技術(shù)專家：交通運輸部公路局技術(shù)管理處張建軍，中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司李貞新