地震中橋梁震害分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

地震中橋梁震害分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

0橋梁一般地震特征地震是突然的和危險(xiǎn)的。地震的持續(xù)時(shí)間通常只有幾十秒，但它給人們帶來(lái)了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。在過(guò)去的30年里，幾座城市發(fā)生了非常嚴(yán)重的破壞地震，比如1973年美國(guó)的圣菲尼恩地震（m6.6），1976年中國(guó)唐山大地震（m7.8），1989年美國(guó)洛馬普羅斯地震（m7.0），1994年美國(guó)北歷史事件地震（m6.7），1995年日本薩神大地震（m7.2）和2008年中國(guó)汶川八.0級(jí)地震造成的經(jīng)濟(jì)總損失（按當(dāng)時(shí)貨幣值）分別為10億美元、100億美元、70億美元、200億和1000億美元。地震不僅給巨大的經(jīng)濟(jì)損失和巨大損失。1556年，陜西省華縣8號(hào)地震造成83萬(wàn)人死亡。20萬(wàn)人于1968年8月5日12時(shí)去世。1976年，河北省唐山7.8號(hào)地震造成24萬(wàn)多人死亡。從2008年5月12日12點(diǎn)開(kāi)始。2008年7月，四川四川地震中斷，6919人死亡，374186人受傷，18639人失蹤。20世紀(jì)以來(lái)，世界發(fā)生了20多起嚴(yán)重地震，120多萬(wàn)人死亡。通過(guò)對(duì)歷次地震的總結(jié)研究可以發(fā)現(xiàn),歷次災(zāi)難性地震均有一個(gè)共同的特點(diǎn),即地震造成交通生命線工程嚴(yán)重癱瘓,特別是對(duì)橋梁的破壞切斷了緊急救援的通道,錯(cuò)過(guò)了災(zāi)后搶救生命的最佳時(shí)期,引發(fā)巨大的次生災(zāi)害.因此分析研究歷次地震過(guò)程中橋梁的典型震害特征,從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),以便改進(jìn)今后的橋梁抗震設(shè)計(jì)性能,具有非常重要的意義.本文通過(guò)研究災(zāi)后橋梁實(shí)際震害調(diào)查圖片資料的形式對(duì)橋梁典型震害特征進(jìn)行了分類對(duì)比分析,在此基礎(chǔ)上,指出了橋梁抗震領(lǐng)域需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題,并分別從橋梁抗震概念設(shè)計(jì)和具體抗震措施層面提出了橋梁抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng).1橋梁典型震害特征分析在地震過(guò)程中橋梁震害的主要形式有坍塌震害、落梁震害、橋墩震害、樁土液化震害以及支座、伸縮縫、擋塊震害等.為了更好地從橋梁震害中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),分別對(duì)有較大影響的地震中橋梁典型震害特征分析如下:1.1橋梁坍震害分析坍塌震害是地震造成的橋梁最嚴(yán)重的破壞表現(xiàn)形式.在唐山大地震中,在被調(diào)查的130座梁式橋中共有18座發(fā)生坍塌,被調(diào)查的32座拱橋中,有6座坍塌.在汶川地震中也有多處橋梁發(fā)生坍塌破壞.通過(guò)對(duì)地震過(guò)程中橋梁發(fā)生坍塌震害的分析可知,造成橋梁坍塌震害的主要原因有:(1)有些混凝土橋梁因沒(méi)進(jìn)行抗震設(shè)防或設(shè)防水準(zhǔn)低于遭受的地震荷載,使得橋梁結(jié)構(gòu)的某些重要承重構(gòu)件發(fā)生剪斷或壓潰,致使整橋發(fā)生坍塌破壞,如圖1所示;(2)采用污工結(jié)構(gòu)的拱橋,因自身延性差,在地震作用下發(fā)生過(guò)大的變形而坍塌,如圖2所示;(3)由于對(duì)場(chǎng)地土的液化估計(jì)不足,或者對(duì)某些橋梁的地震響應(yīng)和抗震性能認(rèn)識(shí)不夠清楚,致使在設(shè)計(jì)上存在抗震缺陷,導(dǎo)致橋梁在地震時(shí)發(fā)生坍塌.1.2過(guò)程3次地震災(zāi)害主要包括地震荷載作用下落梁是地震過(guò)程中另一種比較嚴(yán)重的震害形式.在唐山大地震中灤河大橋發(fā)生落梁破壞(見(jiàn)圖3(見(jiàn)73頁(yè)));在日本的阪神地震中西宮港大橋引橋落梁(見(jiàn)圖4(見(jiàn)73頁(yè)));在圣費(fèi)南多地震中發(fā)生曲線立交橋落梁的震害(見(jiàn)圖5(見(jiàn)73頁(yè)));在汶川地震中綿陽(yáng)市南壩大橋、紫坪鋪水庫(kù)大橋引橋和百花大橋均發(fā)生了落梁震害(見(jiàn)圖6～圖8(見(jiàn)73頁(yè))).落梁是因在地震荷載作用下,上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移過(guò)大,超過(guò)支座允許的范圍而引起的.通過(guò)對(duì)幾次地震落梁災(zāi)害的調(diào)查分析表明,地震過(guò)程中落梁震害有如下特點(diǎn):(1)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)橋,特別是沒(méi)有采取防落梁措施的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)橋梁易發(fā)生落梁,且橋墩相鄰橋墩高差越大,發(fā)生落梁的概率越大;(2)曲線橋梁易發(fā)生落梁震害;(3)引橋易落梁.多次地震災(zāi)害表明,大跨度主橋一般因采取了較好的設(shè)防措施,在地震過(guò)程中一般不會(huì)發(fā)生落梁等嚴(yán)重的震害,而其引橋卻極易發(fā)生落梁;(4)在強(qiáng)烈地震力作用下場(chǎng)地發(fā)生較大的斷層,當(dāng)斷層直接穿過(guò)橋跨時(shí)引起相鄰橋墩過(guò)大的位移造成落橋.1.3墩柱節(jié)點(diǎn)抗剪能力橋墩是支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件,其震害形式一般可分為彎曲破壞、彎剪破壞及剪切破壞等三種,其在強(qiáng)烈地震下具體震害模式可歸納如下:(1)墩柱因抗剪能力不足(如圖9所示),或塑性鉸引起抗剪能力衰減,而造成剪力破壞(如圖10所示);(2)墩柱縱向鋼筋搭接長(zhǎng)度不足或同一斷面主筋搭接比率過(guò)高,形成薄弱斷面而破壞(如圖11所示);(3)墩柱因箍筋約束力不足,造成韌性不足而破壞.當(dāng)混凝土壓應(yīng)變超過(guò)其可承受之壓應(yīng)變,表層混凝土發(fā)生剝落,核心混凝土強(qiáng)度不足而快速壓碎,主筋因而產(chǎn)生挫屈,強(qiáng)度驟減而無(wú)法支撐上部荷載而損壞(如圖12所示).1.4中國(guó)、外馬在以往的多次強(qiáng)烈地震中,由于砂土液化造成的各種災(zāi)害已成為一種不可忽視的地震破壞現(xiàn)象.中國(guó)邢臺(tái)地震、海城地震、唐山地震和臺(tái)灣集集地震;日本新瀉地震、福井地震和阪神地震,美國(guó)阿拉斯加地震、圣費(fèi)南多地震均引起較大規(guī)模的地基液化現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)了較大的橋梁震害,圖13、14分別是臺(tái)灣集集地震因砂土液化造成的石圍橋墩傾斜和炎峰橋墩下沉震害.1.5結(jié)構(gòu)慣性力過(guò)大造成的震害橋梁震害最為常見(jiàn)的表現(xiàn)形式是擋塊、支座和伸縮縫的破壞,如圖15所示.如果地震引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)慣性力過(guò)大,超過(guò)了擋塊等限位裝置的抵抗能力,則上部結(jié)構(gòu)首先撞壞擋塊等限位裝置,發(fā)生較大的相對(duì)位移,進(jìn)而引起支座和伸縮縫的破壞,甚至發(fā)生落梁、倒塌等嚴(yán)重震害.2橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題雖然地震會(huì)造成毀滅性的災(zāi)難,對(duì)橋梁的破壞尤為突出,但通過(guò)對(duì)歷次地震造成的橋梁破壞情況的對(duì)比分析,不難發(fā)現(xiàn)地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損壞具有一定規(guī)律,并且通過(guò)開(kāi)展相應(yīng)的抗震研究,從橋梁抗震概念設(shè)計(jì)層面和具體抗震細(xì)節(jié)上加以改進(jìn),地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損壞是可以避免或減少的.(1)污工結(jié)構(gòu)因自身延性差,易發(fā)生坍塌破壞,因此在高烈度區(qū)應(yīng)盡可能避免采用污工結(jié)構(gòu)橋梁.(2)動(dòng)力特性不同的相鄰橋梁結(jié)構(gòu)(如大跨度的拱橋、斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)橋與引橋)易發(fā)生落梁震害.由于對(duì)不同動(dòng)力特性的相鄰橋梁結(jié)構(gòu)之間的碰撞和拉開(kāi)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不足,以往在大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中,只重視了主橋的抗震問(wèn)題,而忽略了引橋和主橋之間的相互作用問(wèn)題,致使引橋落梁現(xiàn)象比較突出.因此,在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視,加強(qiáng)不同動(dòng)力特性相鄰橋梁結(jié)構(gòu)抗震研究工作,并在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的防落梁措施.(3)曲線橋、斜彎橋在地震作用下容易發(fā)生落梁、坍塌破壞.目前我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)曲線橋和斜彎橋的規(guī)定不是很明確,因此在曲線橋和斜彎橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)所采取的抗震措施和標(biāo)準(zhǔn)差異比較大.曲線橋和斜彎橋在地震作用下具有明顯的彎扭組合空間受力特征,按照直線橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)顯然不盡合理,因此在今后應(yīng)加大對(duì)曲線橋和斜彎橋抗震性能研究.(4)因連梁、擋塊等防落梁裝置設(shè)計(jì)不合理,致使落梁震害頻發(fā).改進(jìn)相鄰橋跨主梁之間、主梁與橋墩的縱橫向連接方式是有效提高橋梁抗震能力、防止落梁的重要途徑.但由于目前規(guī)范對(duì)連梁和擋塊的規(guī)定不夠詳細(xì),導(dǎo)致在橋梁抗震設(shè)計(jì)中有的只是采用直觀的、定性的抗震措施,其構(gòu)造型式、尺寸大小、設(shè)置位置均有很大差異,因此應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)連梁和擋塊等防落梁裝置的深入詳細(xì)研究.(5)全聯(lián)單墩結(jié)構(gòu)橋梁在地震作用下容易發(fā)生橫向倒塌.在地震作用下單墩結(jié)構(gòu)橋梁橋墩一旦形成塑性鉸,發(fā)生塑性變形,整個(gè)橋梁在橫橋向就成了瞬態(tài)體系,喪失橫向承載能力而倒塌.因此,在地震高烈度區(qū)應(yīng)慎重在全聯(lián)內(nèi)均采用單墩結(jié)構(gòu).(6)樁—土液化造成的橋梁震害不容忽視.最近幾次震害一再表明,場(chǎng)地液化會(huì)致使許多橋梁遭受?chē)?yán)重的破壞,甚至倒塌,從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.目前國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者專家對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了研究,提出了一些簡(jiǎn)單的算法,但由于樁—土液化問(wèn)題的復(fù)雜性,要達(dá)到實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)要求仍需進(jìn)一步研究.(7)設(shè)計(jì)、施工的細(xì)節(jié)疏忽往往會(huì)引起橋梁的致命震害.如圖16分別為某橋在地震中系梁和墩柱的三種破壞的形式.圖16(a)為系梁強(qiáng)度偏低,在地震作用下系梁完全斷裂,沒(méi)有起到增加墩柱穩(wěn)定的效果;圖16(b)為系梁剛度設(shè)計(jì)過(guò)大,在地震中致使主要承重構(gòu)件墩柱斷裂;圖16(c)是比較理想的設(shè)計(jì)狀態(tài),系梁剛度小于墩柱,在地震作用下系梁出現(xiàn)塑性鉸,但沒(méi)有完全斷裂,仍能起到增強(qiáng)墩柱穩(wěn)定的效果.而如圖9所示的橋墩斷裂完全是由于施工沒(méi)有嚴(yán)格按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求布置縱向鋼筋所致.因此,為了提高橋梁的抗震性能,一定要注意設(shè)計(jì)和施工中的細(xì)節(jié)問(wèn)題.3橋梁震害特征分析每次大的地震都具有因橋梁震毀導(dǎo)致交通生命線工程中斷,導(dǎo)致巨大次生災(zāi)害的特點(diǎn).在地震面前,我們不可能做到使每座橋梁都毫發(fā)無(wú)損,對(duì)于支座、限位裝置和伸縮縫等應(yīng)該允許發(fā)生一定的、可修復(fù)的損傷,但對(duì)于坍塌、落梁和橋墩剪斷等災(zāi)難性的、不可修復(fù)的破壞則應(yīng)該盡量避免.本文通過(guò)在國(guó)內(nèi)外幾次破壞性較大的地震中橋梁典型震害特征的分析總結(jié),