地震中橋梁震害分析及設計要點

地震中橋梁震害分析及設計要點

0橋梁一般地震特征地震是突然的和危險的。地震的持續(xù)時間通常只有幾十秒，但它給人們帶來了巨大的生命和財產(chǎn)損失。在過去的30年里，幾座城市發(fā)生了非常嚴重的破壞地震，比如1973年美國的圣菲尼恩地震（m6.6），1976年中國唐山大地震（m7.8），1989年美國洛馬普羅斯地震（m7.0），1994年美國北歷史事件地震（m6.7），1995年日本薩神大地震（m7.2）和2008年中國汶川八.0級地震造成的經(jīng)濟總損失（按當時貨幣值）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)濟損失和巨大損失。1556年，陜西省華縣8號地震造成83萬人死亡。20萬人于1968年8月5日12時去世。1976年，河北省唐山7.8號地震造成24萬多人死亡。從2008年5月12日12點開始。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世紀以來，世界發(fā)生了20多起嚴重地震，120多萬人死亡。通過對歷次地震的總結研究可以發(fā)現(xiàn),歷次災難性地震均有一個共同的特點,即地震造成交通生命線工程嚴重癱瘓,特別是對橋梁的破壞切斷了緊急救援的通道,錯過了災后搶救生命的最佳時期,引發(fā)巨大的次生災害.因此分析研究歷次地震過程中橋梁的典型震害特征,從中吸取經(jīng)驗教訓,以便改進今后的橋梁抗震設計性能,具有非常重要的意義.本文通過研究災后橋梁實際震害調(diào)查圖片資料的形式對橋梁典型震害特征進行了分類對比分析,在此基礎上,指出了橋梁抗震領域需要進一步深入研究的問題,并分別從橋梁抗震概念設計和具體抗震措施層面提出了橋梁抗震設計注意事項.1橋梁典型震害特征分析在地震過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)驗教訓,分別對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.通過對地震過程中橋梁發(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進行抗震設防或設防水準低于遭受的地震荷載,使得橋梁結構的某些重要承重構件發(fā)生剪斷或壓潰,致使整橋發(fā)生坍塌破壞,如圖1所示;(2)采用污工結構的拱橋,因自身延性差,在地震作用下發(fā)生過大的變形而坍塌,如圖2所示;(3)由于對場地土的液化估計不足,或者對某些橋梁的地震響應和抗震性能認識不夠清楚,致使在設計上存在抗震缺陷,導致橋梁在地震時發(fā)生坍塌.1.2過程3次地震災害主要包括地震荷載作用下落梁是地震過程中另一種比較嚴重的震害形式.在唐山大地震中灤河大橋發(fā)生落梁破壞(見圖3(見73頁));在日本的阪神地震中西宮港大橋引橋落梁(見圖4(見73頁));在圣費南多地震中發(fā)生曲線立交橋落梁的震害(見圖5(見73頁));在汶川地震中綿陽市南壩大橋、紫坪鋪水庫大橋引橋和百花大橋均發(fā)生了落梁震害(見圖6～圖8(見73頁)).落梁是因在地震荷載作用下,上部結構與下部結構的相對位移過大,超過支座允許的范圍而引起的.通過對幾次地震落梁災害的調(diào)查分析表明,地震過程中落梁震害有如下特點:(1)簡支結構橋,特別是沒有采取防落梁措施的簡支結構橋梁易發(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.多次地震災害表明,大跨度主橋一般因采取了較好的設防措施,在地震過程中一般不會發(fā)生落梁等嚴重的震害,而其引橋卻極易發(fā)生落梁;(4)在強烈地震力作用下場地發(fā)生較大的斷層,當斷層直接穿過橋跨時引起相鄰橋墩過大的位移造成落橋.1.3墩柱節(jié)點抗剪能力橋墩是支撐橋梁上部結構的主要構件,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度不足或同一斷面主筋搭接比率過高,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.當混凝土壓應變超過其可承受之壓應變,表層混凝土發(fā)生剝落,核心混凝土強度不足而快速壓碎,主筋因而產(chǎn)生挫屈,強度驟減而無法支撐上部荷載而損壞(如圖12所示).1.4中國、外馬在以往的多次強烈地震中,由于砂土液化造成的各種災害已成為一種不可忽視的地震破壞現(xiàn)象.中國邢臺地震、海城地震、唐山地震和臺灣集集地震;日本新瀉地震、福井地震和阪神地震,美國阿拉斯加地震、圣費南多地震均引起較大規(guī)模的地基液化現(xiàn)象,進而引發(fā)了較大的橋梁震害,圖13、14分別是臺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結構慣性力過大造成的震害橋梁震害最為常見的表現(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構慣性力過大,超過了擋塊等限位裝置的抵抗能力,則上部結構首先撞壞擋塊等限位裝置,發(fā)生較大的相對位移,進而引起支座和伸縮縫的破壞,甚至發(fā)生落梁、倒塌等嚴重震害.2橋梁結構抗震設計中的問題雖然地震會造成毀滅性的災難,對橋梁的破壞尤為突出,但通過對歷次地震造成的橋梁破壞情況的對比分析,不難發(fā)現(xiàn)地震對橋梁結構的損壞具有一定規(guī)律,并且通過開展相應的抗震研究,從橋梁抗震概念設計層面和具體抗震細節(jié)上加以改進,地震對橋梁結構的損壞是可以避免或減少的.(1)污工結構因自身延性差,易發(fā)生坍塌破壞,因此在高烈度區(qū)應盡可能避免采用污工結構橋梁.(2)動力特性不同的相鄰橋梁結構(如大跨度的拱橋、斜拉橋、連續(xù)剛構橋與引橋)易發(fā)生落梁震害.由于對不同動力特性的相鄰橋梁結構之間的碰撞和拉開現(xiàn)象認識不足,以往在大跨徑橋梁的設計過程中,只重視了主橋的抗震問題,而忽略了引橋和主橋之間的相互作用問題,致使引橋落梁現(xiàn)象比較突出.因此,在今后的設計中應引起重視,加強不同動力特性相鄰橋梁結構抗震研究工作,并在設計中采取相應的防落梁措施.(3)曲線橋、斜彎橋在地震作用下容易發(fā)生落梁、坍塌破壞.目前我國橋梁抗震設計規(guī)范對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計時所采取的抗震措施和標準差異比較大.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,按照直線橋進行抗震設計顯然不盡合理,因此在今后應加大對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計不合理,致使落梁震害頻發(fā).改進相鄰橋跨主梁之間、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)范對連梁和擋塊的規(guī)定不夠詳細,導致在橋梁抗震設計中有的只是采用直觀的、定性的抗震措施,其構造型式、尺寸大小、設置位置均有很大差異,因此應進一步開展對連梁和擋塊等防落梁裝置的深入詳細研究.(5)全聯(lián)單墩結構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構橋梁橋墩一旦形成塑性鉸,發(fā)生塑性變形,整個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)應慎重在全聯(lián)內(nèi)均采用單墩結構.(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,場地液化會致使許多橋梁遭受嚴重的破壞,甚至倒塌,從而造成巨大的經(jīng)濟損失.目前國內(nèi)外已有許多學者專家對該領域進行了研究,提出了一些簡單的算法,但由于樁—土液化問題的復雜性,要達到實用、安全、經(jīng)濟的設計要求仍需進一步研究.(7)設計、施工的細節(jié)疏忽往往會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)為系梁強度偏低,在地震作用下系梁完全斷裂,沒有起到增加墩柱穩(wěn)定的效果;圖16(b)為系梁剛度設計過大,在地震中致使主要承重構件墩柱斷裂;圖16(c)是比較理想的設計狀態(tài),系梁剛度小于墩柱,在地震作用下系梁出現(xiàn)塑性鉸,但沒有完全斷裂,仍能起到增強墩柱穩(wěn)定的效果.而如圖9所示的橋墩斷裂完全是由于施工沒有嚴格按照抗震設計規(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,一定要注意設計和施工中的細節(jié)問題.3橋梁震害特征分析每次大的地震都具有因橋梁震毀導致交通生命線工程中斷,導致巨大次生災害的特點.在地震面前,我們不可能做到使每座橋梁都毫發(fā)無損,對于支座、限位裝置和伸縮縫等應該允許發(fā)生一定的、可修復的損傷,但對于坍塌、落梁和橋墩剪斷等災難性的、不可修復的破壞則應該盡量避免.本文通過在國內(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,