邹 岩
(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)
在新中国成立后的几次大地震中，作为城市生命线工程的道路桥梁等都遭到严重破坏，这给国家社会及人民的生命和财产造成了巨大的损失，我们在畏惧大自然的同时也对铁路工程建设再一次进行了反思。每次地震都揭示出许多我们曾忽视的实际隐患，给铁路建设敲响了警钟。铁路桥梁工程建设直接关系到人民生命和财产的安全，其设计及建设的安全及抗灾能力，必须得到更高的重视，解决铁路桥梁抗震问题将给我们带来更大的贡献。本文正是在这种背景之下探讨了铁路桥梁抗震的现状及问题、铁路桥梁抗震的延性需求及其影响因素、铁路桥梁抗震计算方法等，并给出了建议使用的铁路桥梁抗震延性设计方法。
1 铁路桥梁抗震的设计规范及现状
1)我国目前实施的铁路桥梁抗震设计规范。目前，我国公路桥梁抗震设计细则应用的是2008年颁布的JTG/T B02-01-2008，但是桥梁细则只适用于主跨不超过150 m、墩高不超过40 m的桥梁，未对墩高超过40 m、结构进入弹塑性的桥梁进行规定，而明确说明了对于此类设计及建造等需要进行专门的研究。而我国铁路工程抗震设计于公路桥梁抗震设计来说，其完善程度更低，目前我国铁路工程抗震设计规范适用的是2006年的GB 50111-2006细则，而且本规则明确规定该细则仅适用于铁路桥梁跨度小于150 m的钢梁及跨度小于120 m的铁路钢筋混凝土和预应力混凝土等梁式桥。在本细则中虽然没有明确指出对于铁路桥梁设计及建设的墩高的适用范围限制，但是对于特殊桥墩的设计，细则作出了明确的要求，即必须采用非线性时程方法对桥梁的下部结构进行分析。但我国铁路抗震06细则只是针对普速铁路才适用，而不适用于高速铁路，而且在具体规定及适用方面与国外发达国家的规范相比仍存在着一定的差距。比如首先在与公路08细则对比中可以看到，我国铁路桥梁抗震设计领域缺乏与公路领域相似的专门的有关铁路桥梁抗震的设计规范。再者，在目前的规范中，还没有涉及到铁路桥梁减震的要求及方法等内容。第三，具体到抗震设计的内核，在谈到基于性能的抗震设计这块的标准则不是很深入，特别是关于加速度反应谱的最大值设置方面明显偏小，而且对于抗震性能设计的要求周期短，且未引入非线性有限元的计算方式，而是偏重于手算，这些都需要不断的发展和完善。
2)目前我国对铁路桥梁的桥墩设计应用已经不能满足实际需求。我国基础设施系统庞大，且随着信息化系统工程的建立，在数据整理、信息利用及设计分析等方面面临着巨大的挑战。地震的发生是不可避免的，但地震发生的时间、地点、震级等，及对于铁路桥梁造成的影响及破坏力等都是不确定的，所以对于铁路桥梁的抗震研究及抗震加固推进等都应当持续推进。
目前，铁路桥梁的建设都把抗震的工作放在了对于桥梁的加固方面，但是从欧美、日本、新西兰等国家总结桥梁震害的经验教训及世界各地发生的地震对铁路桥梁造成的危害来看，仅仅对于因钢筋混凝土桥墩破坏导致桥梁严重破坏甚至倒塌的问题进行研究，考虑钢筋混凝土桥墩的强度是不够的。还应当对混凝土桥墩的延性进行设计，从而提升铁路桥梁的整体变形能力和延展性。
但是，目前我国对于桥梁高墩抗震的延性设计等相对较为滞后，比如对于桥梁高墩横截面及中低桥墩桥梁的结构计算，混凝土箱形墩柱、钢箱墩柱和钢管混凝土组合墩柱设计及应用和对于桥梁墩柱拟静力试验、拟动力试验、地震模拟振动台试验以及基于性能的抗震设计方法等仍不能满足实际工程的需要。
2 铁路桥梁抗震的延性需求及抗震设计计算方法
根据结构动力学原理，铁路桥梁在受到地震的作用之下会发生振动，所以导致了桥梁在设计上应当对于其本身的延性需求进行分析计算，下面我们来对桥梁抗震的延性需求进行分析计算。
衡量结构延性水平的设计指标是曲率延性系数和位移延性系数两种。曲率延性系数用于衡量延性构件临界截面的延性水平，是铁路桥梁结构或构件在受到地震作用的情况下屈服后截面的极限曲率与屈服曲率之比，计算公式为:uφ=φu/φy，其中，φu为截面的极限曲率;φy为截面的屈服曲率。
而位移延性系数是衡量延性结构整体或局部的延性水平的标准，是构件的极限位移与屈服位移之比，计算公式为:uΔ=Δu/Δy，其中，Δu为构件的极限位移;Δy为结构构件的屈服位移。首先我们应当明确延性结构的破坏准则，在各国的桥梁抗震规范中大多对延性结构破坏程度进行了规定。也就是说在桥梁变形破坏准则中，结构的最大位移的响应不超过破坏限制值，计算公式是Δmax≤［Δ］，其中，Δmax为桥梁结构的最大位移反应;［Δ］为结构的容许的最大位移的响应值。
在我国铁路06抗震细则中，对罕遇地震作用下位移延性需求及其计算公式进行了规定，即μΔ=λmμm。其中，μm=Mmax/My;λm则是根据桥墩的场地类别、自振周期及水平地震基本加速度来计算的，对于1，2，3，4类场地之间的关系一般可以表示为:λm2=λm1+1/3(λm4－λm1)，λm3=λm1+2/3(λm4－λm1)。在欧洲的 Eurocode8规范中规定，在强震作用下墩顶的最大位移dE=ημddEe，在该公式中引入了阻尼修正系数(η)和位移延性系数(μd)及在强震作用下采用有效刚度计算出的墩顶位移(dEe)。事实上，桥梁的损坏是因为桥梁在地震的作用下结构变形的力度超过了桥梁自身变形结构设计的最大限度，从而导致了桥梁的倒塌，也就是说在地震的作用下桥梁结构的反复弹塑性变形的强度超过了结构的滞回延性允许值;从这个角度来讲，地震作用下，在桥梁的设计中要保证桥梁结构的滞回延性能力超过在该地区发生地震时结构的反复弹塑性变形循环度，这样在地震发生时，就能免于桥梁的坍塌，而这正是桥梁延性抗震设计的基本思想。
3 铁路桥梁抗震延性需求的影响因素
事实上单单从铁路桥梁的抗震延性需求方面来讲，铁路桥梁抗震延性需求受到结构体系本身像是屈服强度水平、阻尼比、结构滞回模型及屈服后刚度等铁路桥梁自身性能的影响。但是由于地震动自身所呈现出的复杂性，我们主要结合场地条件及桥梁结构本身的物理参数等对延性需求的影响进行分析。
1)屈服强度水平对铁路桥梁抗震延性需求的影响。经有关数据分析可知，屈服强度水平对延性需求的影响表现如下:对于同一自振周期来说，延性需求与屈服强度水平呈现出反方向变化趋势;而在屈服强度水平越低时，则铁路桥梁的延性需求越大、两者的变化曲线则越陡。在屈服强度水平达到一定的程度时，延性需求可能小于1，此时延性需求较小、曲线变化比较缓慢。而且理论上来讲，要想使得桥梁在地震动的作用下保持桥梁结构的完整性，能够不发生破坏，屈服强度水平系数η必须不小于1。
2)阻尼系数对铁路桥梁抗震延性需求的影响。阻尼系数则是上述我们提到的阻尼比，也是能够对桥梁抗震延性需求产生影响的桥梁的结构物理参数。阻尼系数对桥梁结构反应影响的大小，决定了桥梁抗震延性需求的变化。其主要与桥梁结构发生的塑性变形程度有关，这两者都会在铁路桥梁结构的动力反应中消耗能量，影响到能量的平衡。而桥梁结构发生的塑性变形程度越大，阻尼耗能越小，因此地震动作用对桥梁结构的影响就越小。
通过对延性需求均值及变异系数下不同阻尼比的延性需求进行研究对比，发现阻尼比对铁路桥梁抗震的延性需求影响较小，因此一般情况下按照钢筋混凝土的结构阻尼比取值为0.05。
3)场地类别对铁路桥梁抗震延性需求的影响。由于场地软硬程度的不同，对地震的各种指标和特性的影响也不同，因此就造成了同一种桥梁结构在不同场地类别上的抗震延性需求也大不相同。通过固定屈服强度水平、滞回模型及屈服后的刚度系数、阻尼系数，对不同场地类型下的地震作用下的位移延性需求，对延性需求均值及变异系数曲线图进行记录分析，从而得出各场地类型条件下相应的延性需求曲线的变化趋势大致相同。场地条件对铁路桥梁抗震需求的影响与阻尼系数的影响类似，在同一自振周期下，延性需求随着场地的土质变软而增大，而且由于桥梁结构进入弹塑性阶段以后刚度的降低，其对应的等效周期延长，从而引起在中周期段变化幅度会更大。
4 建议采用的铁路桥梁延性抗震的设计方法
铁路桥梁的延性抗震设计是指在概率理论意义上保证铁路桥梁的结构具有延性超过预期地震动所能激起的最大非弹性变形，也即是所谓的延性需求。并能从构造上保证结构塑性铰能发挥足够的塑性变形能力，从而进行的桥梁设计能够在预期的设计地震作用下，通过对铁路桥梁的延性抗震设计建设的桥梁结构能够具备足够的延性能力。我国在抗震规范中对位移延性验算公式进行了规定，在E2地震的作用之下，应当依照下列公式验算桥墩潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动能力:θp≤θu。并根据下列公式进行计算:θu=Lp(φu－φy)/K;Lp=0.08H=0.02fyds≥0.044fyds。Lp=2/3b。由于桥梁的下部结构主要承受水平地震作用，因此其常因承受较大的地震作用而发生毁坏。对于以上规定的验算公式为我国桥梁位移延性验算提供依据，有利于根据该规范中的验算公式对铁路桥梁的位移延性进行初步的计算。下面我们对我国现行铁路桥梁抗震设计提出一些想法。对我国常规铁路桥梁，我们建议采用位移延性验算方法:uΔ≤uu。其中，uu为桥梁墩柱的允许位移延性;uΔ为在罕见的地震作用之下桥梁结构的位移延性需求，其计算公式为:uΔ=Δmax/Δy=λ(Mmax/My)。在地震作用下，针对实际的曲率沿墩高的分布曲线提出了等效塑性铰长度的假定。根据我国的具体情况，本文建议应用公路抗震08细则的公式来对等效塑性铰的长度Lp进行计算，取Lp=0.08L+0.022dsfy与 Lp=2/2b两个计算公式的较小值。由于我国存在许多建设较早的铁路桥梁系统，基础设施较为落后，所以在遇到地震时，很多铁路桥梁的稳固性及抗震性已经不能满足现实的需求，所以应当借鉴美国及日本等发达地区的桥梁加固技术，对我国大多数建设较早、抗震能力较弱的铁路桥梁进行全面的抗震加工处理。包括对于单柱墩桥梁及多柱墩桥梁的机构抗震加固上，防止桥梁上部结构落梁、处理可液化砂土及加强钢筋混凝土桥墩的强度等，全面开展对铁路桥梁的抗震加固工作，时刻提高警惕。
5 结语
我国是自然灾害多发地区，特别是唐山大地震及汶川大地震的发生，给人们的生命财产造成了巨大的损失，至今回想起来仍是心有余悸。地震灾害的突发性、破坏性及普遍性等特征要求我们必须建立地震灾害应急决策机制及防震减震政策和技术研究。本文对铁路桥梁抗震的设计规范及现状、铁路桥梁抗震的延性需求及其影响因素、铁路桥梁抗震设计计算方法、提倡采纳的铁路桥梁抗震设计方法等几个方面进行了讨论。以期为我国修订铁路桥梁抗震设计规范提供参考意见和建议，并能够时刻警醒人们，通过政策及技术改善铁路桥梁抗震环境，从而更好地保护人们的生命财产安全。
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