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。

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。

SHAPE \\* MERGEFORMAT SHAPE \\* MERGEFORMAT 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） SHAPE \\* MERGEFORMAT SHAPE \\* MERGEFORMAT 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 SHAPE \\* MERGEFORMAT SHAPE \\* MERGEFORMAT 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。

SHAPE \\* MERGEFORMAT SHAPE \\* MERGEFORMAT 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 SHAPE \\* MERGEFORMAT SHAPE \\* MERGEFORMAT 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） SHAPE \\* MERGEFORMAT SHAPE \\* MERGEFORMAT 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

Q \\5? `*a I'F q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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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

抗震设防重要性分类使用功能的重要性抗震设防标准地震作用抗震措施特殊设防类（简称甲类）重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。高于本地区抗震设计基本地震加速度值 EMBED Equation.3 的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定。当 EMBED Equation.3 时，应按 EMBED Equation.3 的要求；当 EMBED Equation.3 =0.4时，应按 EMBED Equation.3 ＞0.4的要求。如：大型关键桥梁；危险品仓库。重点设防类（简称乙类）地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。符合本地区抗震设计基本地震加速度值 EMBED Equation.3 的要求。当 EMBED Equation.3 时，应按 EMBED Equation.3 的要求。如：医院、发电厂、自来水厂。标准设防类（简称丙类）一般建筑符合本地区抗震设计基本地震加速度值 EMBED Equation.3 的要求。如：一般的工业和民用建筑适度设防

类（简称丁类）抗震次要建筑。符合本地区抗震设计基本地震加速度值 EMBED Equation.3 的要求。设计基本地震加速度值 EMBED Equation.3 减半，但最小值不得小于0.05。如：一般仓库从表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 EMBED Equation.3 ，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 EMBED Equation.3 =50年；乙类的建筑，取 EMBED Equation.3 =100年；甲类的建筑，取 EMBED Equation.3 =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“ EMBED Equation.3 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 EMBED Equation.3 ”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

小震（多遇地震）中震（设计地震）大震（罕遇地震）概率水平重现期概率水平重现期概率水平重现期主桥100年超越概率63.2%100年100年超越概率10%950年100年超越概率3%3283年引桥50年超越概率63.2%50年50年超越概率10%475年50年超越概率2%2475年依据《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。

表4-3 铁路桥梁主桥和引桥结构抗震设防目标

抗震设防概率水准抗震设防部位抗震设防目标多遇地震主桥100Y63.2%桥梁结构处于弹性工作阶段，地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能。引

桥50Y63.2%设计地震主桥100Y10%桥梁上、下部连接构造处于非弹性工作阶段，地震后可能损坏，经修补，短期内能恢复其正常使用功能。引桥50Y10%罕遇地震主桥100Y3%钢筋砼桥墩处于弹塑性工作阶段，地震后可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后限速通车。引桥50Y2%

铁路桥梁的抗震验算准则

4.2.2.1 铁路桥梁的抗震规范的验算内容

在《06铁工震规》中提到铁路工程应按多遇地震、设计地震、罕遇地震三个水准进行抗震设计。桥梁按多遇地震进行桥墩、基础的强度、偏心及稳定性验算；按设计地震验算上、下部结构连接构造的强度；按罕遇地震进行最大位移分析，并对钢筋混凝土桥墩进行延性验算。不同结构桥梁的抗震设计内容如表4-4（《06铁工震规》的表7.1.2）所示。

表4-4 《06铁工震规》中桥梁抗震设计验算内容

结构形式多遇地震设计地震罕遇地震简

支

梁

桥混凝土桥墩墩身及基础：强度、偏心及稳定验算验算连接构造一般不验算；但应增设护面钢筋钢筋混凝土桥墩墩身及基础：强度及稳定验算验算连接构造可按简化法进行延性验算其他梁式桥及重要桥梁墩身及基础：强度、偏心及稳定验算验算连接构造钢筋混凝土桥墩：按非线性时程反应分析法进行下部结构延性验算或最大位移分析从表4-4可以看出：《06铁工震规》似放宽了抗震验算的条件即用多遇地震来验算强度及稳定。

4.2.2.2 铁路桥梁的地震响应计算

（1） 《06铁工震规》的地震作用反应谱计算公式

EMBED Equation.3 （1）

公式（1）对应的阻尼比同样为 EMBED Equation.3 5％，地震动反应谱特征周期Tg的取值变化见表4-5。

表4-5 《06铁工震规》地震动反应谱特征周期Tg（s）

反应谱特征周期

分区场地类别ⅠⅡⅢⅣ一区0.250.350.450.65二区0.30.40.550.75三区0.350.450.650.9（2） 结构地震响应的计算公式

《06铁工震规》采用反应谱法对桥梁进行水平地震计算公式：

EMBED Equation.3 （2）

（2）式中 EMBED Equation.3 指水平地震基本加速度，取值见表4-6。对于重要桥梁，《06铁工震规》规定：在多遇地震作用下， EMBED Equation.3 值应乘以重要性系数1.4。

表4-6 《06铁工震规》水平地震基本加速度 EMBED Equation.3 值

设防烈度6度7度8度9度设计地震（Ag）0.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4g多遇地震0.02g0.04g0.05g0.07g0.1g0.14g罕遇地震0.11g0.21g0.32g0.38g0.57g0.g铁路桥梁的抗震计算设计的建议

(1) 地震的不确定性，导致桥梁结构抗震计算的失真

地震运动是由震源—传播

介质体—场地地质体一系列变化多端的因素综合形成的，它是极为复杂的和不确定的模糊事件，此次汶川大地震，造成了震区大量的公路桥梁的破坏，但成绵高速公路和广绵高速公路上的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严重。因此，桥梁结构的抗震计算严格来说目前仍是近似仿真计算，其计算的准确性有待于在如下方面进行深化：

① 大桥桥址处地震波的合理选择；

② 由于受动荷载作用下材料的超强问题导致结构的抗震性能的提高；

③ 桩—土相互作用、多点激励、行波效应等对结构地震响应的影响；

④ 支座的传力和耗能能力的模拟

鉴于上述原因，在现阶段，抗震计算设计与抗震概念设计和抗震构造设计相比较，后者更显重要。

（2） 重视桥墩及其基础的延性设计

从历次大地震对铁路桥梁的破坏情况来看，桥梁震害主要发生位置如下：

① 上、下部结构之间的连接处——支座；

② 桥墩与承台交接处——墩底；

③ 桥墩与桩基础交接处——桩顶；

延性设计是减轻结构地震响应的有效途径之一，因此，铁路桥梁的抗震计算设计应重视桥墩及其基础的延性设计。

4.3 在施工图设计阶段强化抗震构造设计，重视抗震构造措施和构造细节

铁路桥梁施工图设计阶段，主要是解决各构件的结构计算和结构设计详图问题，那么，在地震动峰值加速度较大的地区，对结构的设计详图究竟如何绘制？也是设计人员必须重视的问题。从汶川大地震的桥梁震害，我们得到如下的启示和建议：

（1） 施工图设计阶段的抗震设防主要是上部结构要加强防落梁措施，可以采用加大挡块厚度，且在挡块与梁体之间设缓冲橡胶垫块，厚度不小于2.5cm，挡块主筋最好采用不小于Φ25的二级钢筋，箍筋采用Φ12的二级钢筋。

挡块的厚度的设计，不是越厚越好。必须保证其抗剪强度与墩身强度相匹配，按“小震、中震不坏，大震要坏”的设计原则确定其结构尺寸。

（2） 对于连续梁的下部结构，由于矮墩刚度较高墩大，地震波传来时，矮墩的地震响应（剪力）比高墩大很多，因此要重视一联中矮墩的设计，必要时采取隔震技术，以减小矮墩的地震响应。

（3） 墩及桩基础箍筋等构造细节的有关建议

建议桥墩及桩基础箍筋采用Φ12的二级钢筋；

建议在盖梁下1倍桥墩直径范围、承台以上3倍桥墩直径范围、承台以下5倍桩直径的范围内对箍筋进行加密，加密区域的箍筋采用10cm间距，其余地方可以采用20cm间距。

（4） 应重视桥梁刚度突变处

处的构造设计

应重视系梁的设计及施工，系梁在抗震中还是起到很大作用。系梁施工时候最好应和桥墩或桩基一次性浇注，加强整体性，汶川大地震中部分桥梁的系梁的破坏与施工缝有关。

地震动峰值加速度较高地区的铁路桥梁的减隔震技术的应用研究

5.12汶川大地震后，中国铁道学会于2008年8月27～28日在成都召开了“地震灾害对铁路的影响及对策学术研讨会”，与会专家普遍认为：铁路桥梁应加强“减隔震技术”的应用，用“减隔震”的设计理念代替传统的“抗震”设计理念。

与房屋和公路桥梁不同的是，铁路桥梁有列车行驶的安全性和舒适性的特别要求，为了满足这一特别要求，铁路桥梁结构必须具备“刚度大”的特点，即要求结构具有足够的横向刚度，与此相对应的是：铁路桥梁因刚度大导致其结构的地震响应比公路桥梁的地震响应大得多，为了减小结构的地震响应，采用减隔震技术就成了必然的选择途径之一；但隔震技术是以延长结构自振周期来实现的，可见，减小结构的地震响应要求结构变“柔”，保证桥梁的正常安全运营要求结构变“刚”，二者的要求正好相反，因此，如何处理好铁路桥梁结构的抗震性能和横向刚度这一对矛盾，是隔震技术在铁路桥梁中能否广泛应用的关键所在。

减隔震技术的机理

减小铁路桥梁结构地震响应的有效途径主要有如下两条：

◆ 延性设计方法，通过在构件的合适位置设定塑性铰和仔细设计构件的细部构造，可以达到在地震作用下结构的整体性和防止结构倒塌的发生。

但采用延性设计，不可避免地使结构出现损伤。

◆ 结构控制方法，包括被动控制技术、主动控制技术、混合控制技术等，近几十年来发展起来的减隔震技术是运用结构被动控制的原理在土木工程结构中实现减小结构地震响应的有效方法。

减隔震技术是通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，减少传递到上部结构的地震作用和能量。

在实际工程应用中，大跨度柔性结构往往采用提供适当阻尼的方法，如采用具有减震耗能的粘滞液体阻尼器、弹塑性软钢阻尼支座、LUB速度锁定支座、调谐质量阻尼器（）、调谐液体阻尼器（TLD）等装置来实现减小结构的地震响应的目的；而对于普通的小跨度梁式结构，则是采用增加系统的柔性的方法，如采用叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座等装置实现隔震，从而减小结构地震响应的目的。

减隔震技术的应用现状

5.2.1 减震支座（装置）的应用状况

减震技术是通过在梁体与桥塔、桥墩、桥台的连接处安装水平柔性支撑，耗散

地震输入能量，减小地震对桥梁主体结构的破坏。

5.2.1.1 减震支座应具有如下的功能

（1）减震支座除了满足普通支座的功能外，在列车制动力、风荷载和中、小地震作用下，桥梁结构应具有足够的水平刚度以满足铁路桥梁的使用要求；

（2）在大震作用下，随着桥梁结构水平位移的增加，耗能（阻尼）装置进入耗能状态，大量耗散输入给桥梁结构的地震能量，减小结构的地震响应。

5.2.1.2 减震支座具有如下的优点

（1） 技术的合理性（相对于传统的抗震设计方法）；

（2） 结构的安全性（耗能装置属承重构件，对桥梁结构的安全性不构成威胁）；

（3） 安装的简便性（减震装置的安装简单、施工周期短、对结构的影响小）；

（4） 使用的经济性（与增加结构强度来达到抗震目的相比，可以节约桥梁的工程造价）。

5.2.1.3 减震支座的类型

减震支座类型较多，目前，适合在铁路桥梁上使用的减震支座的类型主要有如下几种：

（1）弹塑性软钢阻尼支座

在大震作用下，利用金属材料（软钢）的塑性变形，耗散输入桥梁结构中的能量，从而达到减震的目的。

弹塑性软钢阻尼支座是在弹塑性软钢阻尼器的基础上研发的一种新型支座，按形状分为E型和C型两种，如图5-1和5-2。

图5-1 E型钢阻尼支座图

5-2 C型钢阻尼支座

（2）LUB速度锁定支座

在变化速度较快的地震作用、列车制动力、风荷载作用下，LUB速度锁定支座能将上部结构传给桥墩的地震作用合理地分配到多个桥墩，改变了连续梁桥仅由一个固定桥墩承担上部结构的惯性力的不合理状况。

LUB速度锁定支座如图5-3所示。

图5-3 LUB速度锁定支座

（3）粘滞液体阻尼器

粘滞液体阻尼器有如下的特点：

★ 高速度下，可消耗大量能量，但不给桥梁结构附加任何刚度。

★ 低速度下，不影响结构的小位移。

★ 有阻尼系数调整幅度大、工程应用广泛、产品稳定性好、施工维修方便等技术优势。

粘滞液体阻尼器如图5-4所示。

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图5-4 粘滞液体阻尼器

5.2.2 隔震支座（装置）的应用状况

隔震技术是利用隔震层隔断地震作用由桥墩向梁体的传播，通过延长结构周期，增加耗能能力来实现的，从而达到减小地震对桥梁主体结构破坏的目的。

5.2.2.1 隔震支座的特点

（1）采用隔震支座，可保证上部结构的变形在弹性范围内，确保了桥梁结构的安全性；

（2）由于隔震支座延长了结构的自振周期，故在列车制动力、风荷载和中、小地震作用下，桥梁结构应具有足够的水平刚度难于满足。

5.2.2.2 隔震支座的类型

隔震支座类型较多，目前，适合在铁路桥梁上使

用的隔震支座的类型主要有如下几种：

（1）铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座是在普通叠层橡胶支座的中部垂直地灌入纯度为99.9%的铅芯而制成的。铅芯橡胶支座具有很好的滞回特性，其耗能是通过铅芯的屈服剪切变形来实现的。

铅芯橡胶支座如图5-5所示。

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图5-5 铅芯橡胶支座

（2）摩擦摆式支座

摩擦摆式支座是通过摩擦耗能的方式将地震能量转化为热能，同时，通过摆式结构实现将地震能量转化为势能，延长结构基本自振周期，其耗能是通过摩擦和摆式结构来实现的。

摩擦摆式支座如图5-6所示。

图5-6 摩擦单摆式阻尼支座产品图

减隔震技术在国内外桥梁中的应用事例

减隔震控制技术在国内外桥梁中的应用情况简述如下：

（1）韩国Cho-Ji桥和iLM桥上安装了E型钢阻尼支座（图5-7）

图5-7 韩国Cho-Ji桥和iLM桥的E型钢阻尼支座

（2）美国的加利福尼亚州桥梁翻新工程（图5-8）

图5-8 加利福尼亚州桥梁

（3）1997年葡萄牙的“Ponte 25 de Abril”悬索桥安装了24个LUB速度锁定支座（图5-9）

图5-9 葡萄牙的“Ponte 25 de Abril”悬索桥和LUB速度锁定支座

（4）日本城市高速公路桥梁采用了隔震支座（图5-10）

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图5-10 日本城市高速公路桥梁

（5）我国的南疆铁路布谷孜铁路桥采用了铅芯橡胶支座，该桥（9孔，各32米）2000年通车（图5-11），在2003年2月24日发生的6.2 级伽师地震（距桥址50公里）中完好无损。

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图5-11 我国的南疆铁路布谷孜铁路桥

（6）我国南京夹江大桥安装了E型钢阻尼支座（图5-12）

图5-12 南京夹江大桥应用的弹塑性E型钢阻尼支座

（7）我国泉州晋江大桥采用了铅芯橡胶支座（图5-13）

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图5-13 泉州晋江大桥采用的铅芯橡胶支座

（8）我国武汉天兴洲公铁两用大桥在塔梁交接处采用了粘滞液体阻尼器（图5-14）

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图5-14 武汉天兴洲公铁两用大桥

（9）高速铁路在很多标段上采用了LUD速度锁定器（图5-15）

图5-15 高铁C291标

6 结论

本文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，指出了桥梁抗震仿真计算的精确化和采用减隔震控制技术是未来桥梁抗震设计的趋势，结论如下：

（1）汶川大地震造成公路桥梁震害重，铁路桥梁震害轻，应加强公路桥的抗震设计，确保震

后生命线工程的畅通；

鉴于此次汶川大地震时桥梁的震害具有明显的方向性，在桥位选择时注意断裂的走向，在构造措施上加强薄弱位置；

山区的桥梁设计应着重考虑地震次生灾害（山体滑坡和崩塌）对沿溪沿河的桥梁的影响。

（2）桥梁的不同设计阶段具有不同的抗震要求。在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。

（3）重视桥梁结构的抗震概念设计。桥位场地的选择，应依据桥址处的地质和地形条件，应避免地震时次生灾害对桥梁的破坏，基础应建在岩石或坚硬的冲积土层上。

注意桥轴线的方向，同时，山区桥梁的桥轴线尽量取直避弯，选用曲线桥梁，其跨度不宜过大，桥面能连续不要简支，桥墩不宜采用单柱式，桥台处不宜设平曲线。

重视抗震构造设计。施工图设计阶段的抗震设防主要是上部结构要加强防落梁措施，可以采用加大挡块厚度（一定要适中），且在挡块与梁体之间设缓冲橡胶垫块；对于连续梁的下部结构，要重视一联中矮墩的设计；加强桥墩、桩基础的箍筋设计；应重视桥梁刚度突变处的构造设计。

（4）结构抗震计算严格来说是近似仿真计算，桥梁结构的抗震计算设计与抗震概念设计和抗震构造设计相比较，后二者更显重要。

（5）铁路桥梁结构抗震设防标准应在“可靠性与经济性”的平衡中提出，同时要满足规范的要求。对重要桥梁开展地震安全性评价，对于大跨度桥梁和重要桥梁，应提高结构的抗震设防标准。

（6）重视桥墩及其基础的延性设计。

（7）改变传统的“抗震设计”理念，树立“减隔震设计”的思想，这对重要桥梁和特殊桥梁更有意义。

参 考 文 献

〔1〕 高宗余、李龙安、屈爱平，《汶川大地震对铁路桥梁抗震设计的启示与建议》，铁道工程学报，2008年，

〔2〕王亚勇等，《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008），中国建筑工业出版社，2004年， 3～4，8。

〔3〕谢礼立等，《建筑工程抗震性态设计通则》（CECS160:2004，试用)，中国计划出版社，2004年， 8～9。

交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料

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