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2-1-1 都汶高速庙子坪大桥（落梁）图2-1-2 都汶高速百花大桥（垮桥）图2-1-3 彭州小鱼洞大桥的破坏（垮桥）图2-1-4 支座滑动和梁体滑移图2-1-5 梁与挡块之间的碰撞导致挡块的破坏图2-1-6 墩柱的破坏图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2-2-1 固定支座被剪坏图2-2-2 连续梁盆式固定支座锚栓被剪坏图2-2-3 盆式支座横向限位器在地震中破坏图2-2-4 清江7号特大桥桥墩破坏（桥墩环向裂缝贯通）图2-2-5 桥墩偏位、梁体倾斜图2-2-6 简支π梁（落梁）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》（GBJ111-87）（以下简称《87铁工震规》或老规范），在2006年12月1日之后，铁路桥梁的抗震设计主要依据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111-2006）（以下简称《06铁工震规》或新规范）。
“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铁路桥梁初步设计阶段，主要是解决桥型方案问题，那么，在地震动峰值加速度较大的地区，对结构的抗震性能究竟如何确定？也是摆在设计人员面前的一个重要课题。
从汶川大地震的桥梁震害，我们得到如下的启示和建议：4.2.1铁路桥梁的抗震设防标准4.2.1.1 铁路桥梁的抗震设防标准的概念铁路桥梁的抗震设防指为使桥梁工程在地震作用下能按设计要求实现预定功能所采取的防御措施，而桥梁的抗震设防标准即：桥梁按照规定的可靠性要求和技术经济水平所确定的抗震技术要求，一般由设计地震动参数及建筑使用功能的重要性确定。
抗震设防标准是衡量结构抗震设防要求高低的尺度，直接关系到桥梁结构的安全度和工程造价的大小，是不能回避的问题。
4.2.1.2 建筑的抗震设防重要性类别建筑的抗震设防类别重要性的划分，是按建筑物对社会、政治、经济和文化影响程度来划分的，参照《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)的第3.0.2条和第3.0.3条（均为强制性条款），建筑根据其使用功能的重要性按表4-1进行归纳分类。
表4-1 各类建筑按其使用功能的抗震设防重要性的分类从表4-1可以看出：由建筑重要性确定的抗震设防类别决定了建筑抗震设计采用的地震作用大小和应采用的抗震措施的等级，并且地震作用随抗震设防类别的不同可在设计基本地震加速度值的基础上成倍增大（如甲类）。
由《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)的5.3.7条知，城镇交通设施的抗震设防类别规定如下：★ 在交通网络中占关键地位、承担交通量大的大跨度桥应划为特殊设防类（甲类）； ★ 处于交通枢纽的其余桥梁应划为重点设防类（乙类）。
在参考文献（3）中：按桥梁重要性类别规定了年限mj T ，根据这个年限和给定的超越概率，可确定相应重要性类别的设计地震动参数，一般地，对重要性类别为丙类的建筑，取mj T =50年；乙类的建筑，取mj T =100年；甲类的建筑，取mj T =200年。
考虑到目前我国的经济水平，同时也考虑到参考依据（3）中“mj T 是由桥梁重要性类别规定的年限”，与桥梁设计规范中的“桥梁结构设计基准期Y ”不完全一致。
参考国内外同类型桥梁的抗震设防标准，本文将特大桥由“甲类”建筑降为“乙类”建筑进行抗震设防；将大中小桥结构为“乙类”建筑降为“丙类”建筑进行抗震设防。
故本文建议如下：铁路大桥主桥的抗震设防地震的概率水平：小震（多遇地震）为100年超越概率63.2%，中震（常遇地震）为100年超越概率10%，大震（罕遇地震）为100年超越概率3%；铁路大桥引桥的抗震设防地震的概率水平：小震（多遇地震）为50年超越概率63.2%，中震（常遇地震）为50年超越概率10%，大震（罕遇地震）为50年超越概率2%，铁路桥梁的抗震设防标准见表4-2。
表4-2 铁路桥梁抗震设防标准依据《06铁工震规》的第3.0.3条，铁路桥梁在不同地震动水准下的抗震设防目标见表4-3。