跨越活动断层地表破裂带的桥梁结构地震时具有较大的破坏风险。为抵御这种风险，许多国家和地区都出台了相关的规范和条例，如禁止在活动断层之上新建桥梁^[1]，或要求与活动断层之间设置一定的避让距离^[2,3]。然而，由于现有活动断层探测技术和计算理论的局限性，实际断层地表破裂迹线可能既不沿着地质图上标明的活动断层迹线展布，也不发生在历史地震的地面断裂带内^[4,5]，使得纵向延伸较长的桥梁结构防不胜防。近年来国内外几次强震震害表明，禁止和避让并不能完全规避跨断层地表破裂带桥梁的破坏风险。在台湾集集地震、土耳其Kocaeli地震和Duzce地震以及汶川地震中，多座公路桥梁由于断层地表破裂带穿过而发生严重破坏甚至全桥垮塌，给地震应急救援工作带来了极大困难。

随着我国在滇西北、藏东南以及川西等地震高烈度区公路交通基础设施的大力建设，桥梁总数和密度大幅增加，综合国防需求、地形地貌、建设成本、建设周期等各种客观条件的制约，许多桥梁不得不建于活动断层附近甚至直接跨越断层地表破裂带。然而，长期以来我国工程设计人员对在活动断层之上建造桥梁望而生畏，设计中过度依赖采用回避的方式^[6,7]，致使针对跨越断层地表破裂带桥梁的抗震研究工作基本处于空白状态，缺乏可供借鉴的震害经验总结、抗震设计方法以及相关规范条例。因此，积极开展针对跨断层地表破裂带桥梁的抗震研究，制定相应防御措施，具有重要现实意义。

本文系统整理了国内外历次地震中跨断层地表断裂带桥梁的震害资料，依据地震事件和桥梁结构破坏程度对其进行对比研究，详细总结了跨断层地表破裂带桥梁的破坏规律。在此基础上，从设防思路、结构形式、抗震措施等角度提出了跨断层地表破裂带桥梁的抗震概念设计，作为此类桥梁深入研究和讨论的起步。 1 台湾集集地震

1999年9月21日，中国台湾南投县发生里氏7.3级的地震^[8,9,10]。这次地震造成了沿车笼埔断层长约100 km的地表破裂，最大垂直错动量达8 m，此次地震具有明显的挤压型逆断层的构造特征^[11]。逆冲断层在水平和竖向引起3~9 m的地表破裂，致使乌溪桥、石围桥、名竹大桥等7座位于断层线附近或被地表破裂带穿过的桥梁发生严重损毁(图 1)，其具体结构类型和震害情况如表 1所示。车笼埔断层沿线桥梁建造于20世纪60年代至90年代间，设计之初对可能发生的断层地表破裂并未予以考虑，这也是造成上述桥梁发生严重破坏的主要原因。

图1 集集地震中跨断层地表破裂带桥梁震害 Fig.1 Bridge damage due to fault surface rupture inChi-Chi earthquake

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由表 1可知，跨越断层地表破裂带桥梁震害主要表现为主梁落梁和桥墩剪切破坏。发生落梁破坏的桥梁结构均为采用橡胶支座的简支T梁桥，且落梁方向均为顺桥向。值得注意的是，与以往地震中常见的桥墩弯曲破坏不同，上述桥梁的桥墩破坏形式主要为桥墩倾斜和剪切破坏。以乌溪桥为例，对集集地震中跨断层桥梁的结构特征和破坏模式进行分析。

乌溪桥位于台三线台中县与南投县交界处，该桥为上下分离式桥梁，北幅桥梁建成于1973年，南幅桥梁建成于1982年。上部结构由17孔预应力混凝土T形梁桥组成。北幅桥采用尺寸为8.5 m×3 m的壁式桥墩，南幅桥采用5 m×2 m矩形桥墩。发震断层——车笼埔断层从该桥的2号墩和3号墩之间以约45°穿过。震后调查表明，断层竖向位移约为2.1~2.3 m，沿桥轴向水平位移约为2.2~2.3 m，垂直于桥轴向水平位移为2.1~2.3 m(图 2(a))。巨大的地表相对位移造成北幅桥梁第一、第二孔落梁，南幅桥桥墩剪力破坏而致使第一孔至第四孔桥面下陷倾斜，但未倒塌。乌溪桥南北幅不同的桥墩截面形式呈现出不同的结构破坏特征(图 2(b))。地震中，桥墩刚度较大的北幅桥由于主梁与桥墩之间相对位移较大而发生落梁，桥墩未出现明显破坏；桥墩刚度较小的南幅桥桥墩发生严重剪切破坏，但未发生落梁，其主要原因之一是桥墩剪切破坏消耗了部分地震输入能量，从而减小了主梁的相对位移。

图 2 乌溪桥 Fig. 2 Wuxi bridge

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由上述分析可以看出，跨断层桥梁的桥墩与承受往复荷载采用延性设计的常规桥墩在地震时具有不同的破坏形式和破坏机理。跨断层桥梁适宜采用何种桥墩类型，仍需深入研究。 2 土耳其Kocaeli地震与Duzce地震

1999年土耳其发生了两次强震，分别为8月17日伊兹米特附近里氏7.4级Kocaeli地震和11月12日里氏7.2级的Duzce地震^[12,13]。这两次地震均由右旋走滑断层——北安纳托利亚断层引起。地震造成大规模地表破裂，Kocaeli地震地表破裂带长度达120 km左右，典型错距2.5~4.5 m，最大水平错距5 m；Duzce地震地表破裂长度接近40 km，平均水平错距4 m，垂直错距0.1~1.5 m。这两次地震致使公路基础设施严重破坏，欧洲运输高速路(TEM)沿线多座桥梁损毁。震后调查发现，五座桥梁被断层地表破裂直接穿过。其中一座落梁垮塌，一座严重受损，三座轻微受损。本节就土耳其地震中五座跨断层地表破裂桥梁进行详细分析。 2.1 Arifiye跨线桥

Arifiye跨线桥位于土耳其的阿达泊扎勒(Adapazari)市附近，跨越欧洲运输高速路(TEM)。该桥为4 m×26 m预应力混凝土简支梁桥，桥梁轴线与支撑连线的交角约为60°。上部结构由5榀U形梁组成，通过橡胶支座支撑于壁式桥墩和轻型桥台。Kocaeli地震中，断层地表破裂带从Arifiye高架桥北侧桥台和相邻桥墩间穿过，与桥轴线呈约65°，水平地面位移将近1.5 m。过大的地面位移使该桥第一跨完全跌落，第二跨至第四跨主梁南端脱离支撑落至地面，造成欧洲运输高速公路中断(图 3)。跌落的第二跨主梁砸中桥下正在行驶的大巴车，造成10人死亡。文献^[14]通过建立数值分析模型对Arifiye跨线桥的倒塌过程进行了模拟，认为梁端支撑长度不足是该桥发生落梁破坏的主要原因。采用超静定次数高的连续结构可有效阻止结构在断层错动瞬间的连续倒塌。

图 3 Arifiye跨线桥 Fig. 3 Arifiye overpass

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Bolu 1号高架桥(图 4(a))是欧洲运输高速路(TEM)上一座重要桥梁，是由东西两幅组成的双线结构，东幅为58跨，全长2 273 m；西幅为59跨，全长2 313 m。上部结构为每跨40 m的预应力混凝土T形梁，以10跨为一联组成桥面连续简支梁桥。桥墩为八角形空心薄壁墩，墩高10~47 m不等。Bolu 1号高架桥位于Duzce断层和北安纳托利亚断层交汇区，地质情况复杂，存在较高的地震和断层错动风险，设计时采用PTFE滑动支座和钢屈服耗能装置(EDU)共同组成支撑系统(图 4(c))，并在伸缩缝处梁端设置缆索限位装置避免落梁。

图 4 Bolu 1号高架桥 Fig. 4 Viaduct No. 1 in Bolu

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在Duzce地震中，由于地表破裂产生的永久变形及近场地震引发的高速脉冲使即将完工的Bolu 1号高架桥遭受严重破坏。震后调查表明，断层地表破裂在Bolu 1号高架桥的44~47号墩之间穿过，与桥梁纵向轴线的夹角约为25°(图 4(b))。断层右侧的滑动位移接近1.6 m，地震后上部结构的纵桥向残留位移1.1 m，横桥向0.5 m，存在严重的落梁风险(图 4(d))。右幅桥45号墩与左幅桥47号墩发生约12°的刚体转动。大部分PTFE滑动支座和钢屈服耗能装置(EDU)出现严重破坏或完全失效^[15]。

Bolu 1号高架桥的破坏引起了地震工程和桥梁工程界人士的高度重视，并就该桥的初始设计和破坏机理进行了调查和研究^[16]，计算分析结合现场调查一致认为：Bolu 1号高架桥的破坏是由于地震保护系统失效所致。该桥地震隔离系统设计存在严重缺陷，其设计位移能力、屈服后刚度值、地震隔离系统周期、安全储备方面均不符合原设计规范(AASHTO 1991)的要求。所幸在巨大的地表错动位移下该桥仍未出现落梁倒塌或墩柱严重破坏。该桥在设计时所采用的上部结构形式(桥面连续刚度较大的简支梁桥)、桥墩形式(剪切刚度和抗扭刚度较大的空心薄壁墩)、耗能装置(钢屈服耗能装置)及防落措施(缆索限位装置)对避免结构发生严重破坏具有重要作用，可为未来跨断层桥梁结构的设计提供可借鉴的经验。 2.3 TEM沿线三座跨线桥

在Kocaeli地震中，TEM沿线168 km+857跨线桥、173 km+870跨线桥和177 km+787跨线桥被断层地表破裂带穿过。这三座桥梁具有和Arifiye跨线桥相似的结构形式^[12,17]，其结构形式和震害情况见表 2。震后调查表明，这三座桥梁抗震性能均满足要求，仅发生轻微破坏。173 km+870跨线桥，断层从其南侧桥台和相邻桥墩穿过，仅造成橡胶支座5 cm的剪切变形。177 km+787跨线桥地震时主梁与北侧桥台发生碰撞，造成桥台轻微破坏，橡胶支座产生2~3 cm的剪切变形。

2008年5月12日，四川省汶川县发生里氏8.0级的地震^[18,19]。汶川地震发震于龙门山中央断裂带(北川—映秀断裂)，以逆冲作用伴随右旋走滑为运动特征，破裂长度约275 km，宽度达15 km。在极震区跨越地震断层(主、次地震断层)的房屋、桥梁、道路以及其他结构物遭受了地震断层错断、倾覆、严重破坏或完全倒毁^[20]。映秀顺河桥(又名高树大桥)与小渔洞大桥即由于断层地表破裂穿过而导致全桥垮塌。映秀顺河桥位于汶川县映秀镇，平行岷江建造，地震时映秀至北川主断裂地表破裂带从该桥第九、第十跨附近穿过(图 5(a))，断层地表竖向位移约0.5 m，水平位移接近1 m，对岸侧断层地表隆起高达2 m以上。映秀顺河桥跨径为18孔简支空心板桥，支座采用板式橡胶支座，下部结构为桩柱式桥墩。地震时该桥主体结构已基本完成，桥面系尚未施工完成。过大的断层地表破裂位移造成东侧边跨首先产生落梁，继而其余各孔发生连锁性倒塌，最后导致全桥损毁(图 5(b))。该桥可认为是中国大陆首例因断层地表破裂带直接穿过而导致落梁震害的桥梁^[21]。彭州市小渔洞大桥地处小渔洞镇彭白路关白段，全长187 m，主桥为4×40 m刚架拱桥，桥宽12 m，横桥向由5片拱肋组成，桥墩采用排架墩，基础为桩基础，桥台采用组合式桥台。小渔洞大桥(图 6(a))位于小渔洞断裂上盘，汶川地震时NW向带有逆冲垂直分量、左旋走滑性质的小渔洞地表破裂带穿过其桥头引道。该破裂带普遍产生1~2 m垂直位错，以及1~3 m左旋水平位错^[22]。过大的地表破裂位移导致小渔洞大桥彭州侧两跨完全塌裂(图 6(b))，两侧桥台引道严重变形，丧失通行能力^[23]。

图 5 映秀顺河桥 Fig. 5 Shunhe bridge in Yingxiu town

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图 6 小渔洞大桥 Fig. 6 Xiaoyudong bridge

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本文对近年来地震中断层地表破裂穿过的桥梁震害进行了整理分析，震害规律总结如下：

(1)断层破裂产生过大的场地相对位移是发生落梁、支座切断、梁和墩(台)结构损伤等地震破坏的主要原因。就目前工程技术而言，对于跨越活动断层的桥梁尚无法完全避免大幅地面错动造成的结构破坏。然而，通过对跨越地表破裂区桥梁震后受损原因调查分析发现，设计时未对可能出现的断层地表破裂予以考虑或考虑不充分，也是地震中桥梁严重损毁的重要原因。

(2)发震断层类型对跨断层桥梁的受损程度和破坏模式有较大影响。倾滑逆断层型地震对桥梁结构的破坏较程度较走滑型断层型严重，桥梁结构抵抗地表竖向变形的能力较弱。以倾滑型发震断层为代表的集集地震和汶川地震，跨断层桥梁损毁严重，典型破坏模式为由桥墩倾斜、剪切破坏导致的上部结构落梁；以走滑型发震断层为代表的土耳其Kocaeli地震和Duzce地震，跨断层桥梁呈现不同程度的破坏，既存在落梁垮塌，也存在轻微受损，但各桥桥墩均无明显损坏。

(3)采用普通橡胶支座的简支梁桥或弱桥面连续简支梁桥在断层地表断裂带穿过时易发生顺桥向落梁破坏。

(4)跨断层桥梁桥墩的主要破坏形式为剪切破坏和倾斜倒塌，而非以往地震中常见的桥墩弯曲破坏。集集地震和汶川地震中，刚度较小的柱式桥墩受损严重，有的甚至因为桥墩倾斜、剪切破坏造成多跨连锁倒塌，而土耳其地震中刚度较大的壁式桥墩或空心薄壁墩仅发生轻微破损。

(5)对于跨越断层桥梁，斜桥和弯桥比正交桥梁更容易发生破坏。在Kocaeli地震中，平面布置为斜梁桥的Arifiye跨线桥发生落梁破坏，而与其结构形式、跨数、支座型式和桥墩形式相同的正交桥梁168 km+857跨线桥和177 km+787跨线桥仅发生轻微破坏。震后调查表明，斜交平面布置形式也是Arifiye桥产生落梁破坏的重要原因^[24]，断层地表破裂位移导致该桥在钝角处受到约束，产生较大的平面转动，最终导致其锐角处失去支承而引发落梁。

5 抗震概念设计

抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计思想和设计原则，是从概念和结构总体上考虑抗震工程决策的方法^[25]。本文在详细总结分析震害规律的基础上，提出跨断层地表破裂带桥梁的抗震概念设计。

(1)设计理念：合理的抗震设计可有效降低跨断层地表破裂桥梁的破坏风险，以往震例已经证明了跨断层地表破裂带桥梁在遭受较大断层相对位移而得以幸存的可能性。在土耳其地震中，存在严重设计缺陷但未发生倒塌的Bolu 1号高架桥以及TEM沿线仅发生轻微破坏的三座跨线桥，对在活动断层之上建造桥梁具有积极的借鉴意义。

(2)桥位布置：避免桥梁轴线与活动断层小角度交叉。根据本文震害分析，跨断层桥梁破坏方向均为顺桥向，因此控制顺桥向位移是结构防落的重点。增大桥梁轴线与活动断层夹角可减小断层错动产生的顺桥向位移分量以及对桥梁结构的影响范围。

(3)桥型选择：跨越活动断层桥梁桥型的选择应综合考虑可能发生断裂的类型、断裂带的宽度以及场地地质条件等各种影响因素，选择适当的结构形式。如从震后桥梁修复难易性的角度考虑，跨越活动断层桥梁可选择构造简单、修复容易的桥梁形式，以利震后的抢修与重建，如为抵抗断层错动后的位移，避免震后发生落梁，跨越活动断层桥梁可选择超静定次数较高的桥梁结构。

(4)支座形式：跨断层桥梁支座应配合限位装置、防落梁装置统筹考虑。

(5)下部结构：建议采用抗剪刚度和抗扭刚度较大的桥墩形式，以抵抗断层相对位移产生的较大剪力和扭矩，避免桥梁震后墩柱倾斜或破坏，造成多跨连锁倒塌。

(6)桥台：桥长较短的桥梁应充分利用桥台对梁体的约束作用，增大桥台强度，减少落梁破坏。

(7)防落措施：跨越活动断层桥梁设计时应以尽量避免落梁为原则，以充足的搭接长度、纵向限位装置、横向挡块组成纵横向多重防落保护系统。纵桥向以限位装置为首道保护装置，在支承功能丧失后，限制主梁的位移；以充足的搭接长度为第二道保护装置，若限位装置失效，可防止梁体从盖梁或桥墩顶部脱落。横桥向可采用具有延性耗能作用的挡块形式，避免横桥向落梁。

台湾集集地震、土耳其地震以及汶川地震中出现的问题显露出目前抗震研究工作的不足和局限性，如何避免或减轻发震断层地表破裂造成的桥梁损毁是今后抗震研究所面临的新课题。