512汶川大地震簡支梁橋震害分析

512汶川大地震簡支梁橋震害分析

結(jié)構(gòu)體系內(nèi)橋梁震害經(jīng)驗及技術(shù)方案2008年5月12日，當(dāng)8.0級汶川地震發(fā)生時，地震區(qū)域內(nèi)的主要簡支梁橋的主梁發(fā)生橫向、縱向位移，甚至坍塌，直接導(dǎo)致交通中斷，給救災(zāi)帶來巨大困難。結(jié)合1971年美國SanFernando地震、1976年我國唐山大地震、1989年美國LomaPrieta地震、1994年美國Northridge地震、1995年日本Kobe地震及1999年我國臺灣集集地震的震害經(jīng)驗,可認為落梁是簡支橋梁結(jié)構(gòu)體系的嚴重震害之一。汶川大地震中,我國按《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(簡稱《89規(guī)范》)設(shè)計的橋梁首次遭受強震檢驗,為橋梁抗震研究提供了眾多寶貴資料,深入總結(jié)震害經(jīng)驗和教訓(xùn),是推動橋梁抗震研究的重要手段。文獻[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]對橋梁震害情況、特征及經(jīng)驗等進行了詳細總結(jié)。本文主要側(cè)重于落梁震害,總結(jié)了汶川大地震中簡支梁橋落梁震害及其主要影響因素,提出了簡支梁橋防落梁設(shè)計的基本理念及相關(guān)技術(shù)方案。若無特別說明,本文所述落梁系指縱橋向。1抗洪橋落梁地震分析簡支梁橋落梁的原因,除為較多文獻提及的地震山體滑坡次生災(zāi)害外,還受到很多因素影響。1.1從上跨板看,斷裂處是空橋,或垂直過橋比較典型的為高樹大橋,其位于映秀鎮(zhèn),平行于岷江,已完成部分橋面連續(xù)配筋構(gòu)造。汶川大地震使該橋落梁破壞在先,倒墩在后。主發(fā)震斷層(映秀-北川斷裂)沿溝谷走向從該橋跨涵洞處幾乎垂直穿過,因不能適應(yīng)很大的斷層地表位移,涵洞處橋孔首先落梁,此后(斷層)左側(cè)各孔發(fā)生連鎖性倒塌,倒塌的橋墩壓在主梁之上(圖1)。高樹大橋可認為是中國大陸首例因斷層穿過而產(chǎn)生落梁震害的橋梁。之前發(fā)生的1999年臺灣集集大地震,斷層地表破裂亦長達100余km,造成烏溪橋、碑豐橋、一江橋、名竹大橋等多座橋梁毀損。1.2主梁旋轉(zhuǎn)軸之間的耦合關(guān)系近斷層地震動效應(yīng)是指在發(fā)震斷層附近(距離一般小于10km),因斷層破裂的方向性效應(yīng),使其地震動在速度波形上表現(xiàn)為明顯的長周期脈沖(特別是垂直斷層破裂方向分量),并伴有強烈的豎向地震動(圖2)。長周期脈沖作用使主梁整體沿橋縱向或橫向發(fā)生很大的位移反應(yīng),當(dāng)橋墩反向運動后,主梁因慣性仍繼續(xù)運動,導(dǎo)致產(chǎn)生較大的墩梁相對位移,引發(fā)落梁。汶川大地震中,發(fā)生落梁的高原大橋(圖3)、北川龍尾大橋(圖4)距離主發(fā)震斷層(北川—映秀斷裂)不足幾百米。筆者曾詳細研究了1976年唐山大地震35孔跨徑22m的灤河大橋的落梁震害,考慮到橋墩、支座及鄰梁碰撞等非線性因素,并以行波輸入進行了時程分析,認為近斷層地震動是落梁震害的重要外因(文獻)。1999年臺灣集集大地震時,發(fā)生落梁破壞的橋梁亦分布在距發(fā)震斷層(車籠埔斷裂)10km范圍之內(nèi)(文獻)。1.3橋臺強度驗算橋臺胸墻主要承擔(dān)臺后填土的被動土壓力作用。在地震時,橋梁主體結(jié)構(gòu)與橋臺的剛度存在明顯差異,以致主梁與橋臺胸墻的相對位移反應(yīng)遠遠大于伸縮縫間距,從而發(fā)生碰撞。若胸墻截面較小,強大的沖擊力將使其沿根部發(fā)生剪切破壞,主梁在縱橋向一側(cè)失去位移約束,引發(fā)落梁(圖5、圖6)。進一步比較高原大橋與壽江大橋的震害情況,前者高原村一側(cè)橋臺胸墻撞碎并被頂入路基50cm以上;后者雖亦發(fā)生主梁與橋臺碰撞,但僅臺帽與翼墻交角處近似45°開裂(圖7),盡管該橋主梁整體向映秀鎮(zhèn)側(cè)縱向滑移,但最邊跨僅接近落梁。汶川地震橋梁震害表明:若橋臺未發(fā)生大的整體位移,可在很大程度上保證中、小長度橋梁的抗震性能,但橋臺本身強度驗算應(yīng)引起重視;主要破壞方式為胸墻沖切破壞和臺帽與翼墻交角處45°開裂破壞。1.4縱向防落梁措施震區(qū)橋梁主要的防落梁構(gòu)造措施為橫向擋塊,盡管其毀損較多,但在防止橫向落梁方面起到了積極作用。設(shè)計時,可能認為橋面連續(xù)構(gòu)造已經(jīng)滿足《89規(guī)范》要求的“簡支梁橋縱聯(lián)”原則,因而在縱向防落梁措施方面考慮不足,導(dǎo)致較多橋梁發(fā)生縱向落梁。圖8給出了擋塊破壞情況及暴露出的若干設(shè)計問題,如擋塊因尺寸較小發(fā)生直接沖切破壞(圖8(a))、擋塊因豎向縱筋錨固不足發(fā)生粘結(jié)破壞(圖8(b))、擋塊縱筋深入蓋梁但因抗剪不足發(fā)生斜向剪切破壞(圖8(c))。圖8(d)為地震中表現(xiàn)良好的擋塊,該橋位于213國道漩口鎮(zhèn)至映秀鎮(zhèn)之間,地震烈度為9～10度?？傮w上看,抗震擋塊宜適當(dāng)加強但不可過剛,配筋必須注意具備足夠錨固長度,豎向深入到(蓋梁)內(nèi)部并做好抗剪箍筋配置,這需要適當(dāng)?shù)亩坑嬎恪?.5廟子坪大橋pla斷裂帶斜交橋因主梁運動在鈍角處受到伸縮縫的擠壓(碰撞)約束,主梁將繞豎軸產(chǎn)生減少斜交角度的剛性轉(zhuǎn)動,這種轉(zhuǎn)動的累加將導(dǎo)致在銳角處首先脫空及落梁(圖9)。圖10所示為接近完工的南壩大橋落梁情況,橫、縱向都有發(fā)生。曲線梁橋的支座受主梁彎扭耦合因素影響,可能會因承受拉力而發(fā)生脫空及失去約束。與斜交橋類似,曲線梁橋也存在因伸縮縫擠壓導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動效應(yīng),并且有向曲線外側(cè)運動的趨勢。這些都是落梁破壞的潛在威脅。圖11為汶川地震百花大橋震害,其垮塌部分為曲線梁橋,曲率半徑66m,該橋距震中映秀鎮(zhèn)不足幾千米,距離發(fā)震斷層較近。破壞原因最可能是牛腿處支承寬度不足且缺少縱向、豎向限位裝置,導(dǎo)致首先發(fā)生落梁;其次可能是薄弱的系梁、橋墩及細部構(gòu)造引發(fā)(文獻)。1971年美國SanFernando地震時,GoldenState高速公路接近完工的SR14/I5立交樞紐上下跨交叉的橋梁結(jié)構(gòu),亦發(fā)生了類似原因的落梁破壞。高墩橋梁一般周期較長,位移反應(yīng)較大,亦容易發(fā)生落梁破壞。圖12所示為墩高百米的廟子坪大橋引橋落梁震害。綜上所述,斜交橋、曲線梁橋和高墩橋梁與直橋或矮墩橋梁相比,地震時支座更易于損壞,且墩梁間將發(fā)生更大的相對位移。設(shè)計時,要考慮適當(dāng)增大蓋梁支承寬度,而《89規(guī)范》在這方面考慮尚不全面。此外,對于多跨長簡支梁橋(可達幾十跨或長達數(shù)百米),因變異地震動作用、鄰梁碰撞等,加之橋臺對跨中主梁縱向運動約束較弱,也易發(fā)生落梁破壞。2施工措施與落梁構(gòu)造措施的關(guān)系防落梁設(shè)計需要合理地處理橋墩(下部結(jié)構(gòu))、主梁(上部結(jié)構(gòu))、支座、蓋梁支承寬度及防落梁構(gòu)造措施之間的相互關(guān)系。若橋梁支座及防落梁系統(tǒng)設(shè)計較“強”,則橋墩承受主梁慣性力很大,會發(fā)生明顯損傷乃至倒塌;若橋梁支座及防落梁系統(tǒng)設(shè)計較“弱”,則在橋墩免受嚴重破壞的同時將引發(fā)落梁破壞。落梁和橋墩倒塌都會導(dǎo)致交通中斷,都無法達到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。2.1防止落梁震害的措施結(jié)合汶川大地震橋梁震害經(jīng)驗,本文提出了強震區(qū)梁式橋防落梁設(shè)計理念,其要點為:①允許主梁在橡膠支座頂部滑移,以降低橋墩承受的地震慣性力,且建議將支座“浮放”模式改為在底部與橋墩錨栓連接,以提供相對穩(wěn)定的滑動面;②蓋梁提供足夠的支承寬度,允許墩梁發(fā)生最大的可接受滑動位移,以此來消耗地震能量,同時防止落梁;③作為防止落梁的輔助手段,采取蓋梁邊緣設(shè)置擋塊或墩梁間設(shè)置拉索限位器等構(gòu)造措施。Chang等根據(jù)橋梁震害經(jīng)驗,提出了“功能性支承”的設(shè)計概念,與本文觀點總體上是一致的。圖13給出了常見的防止落梁的構(gòu)造措施,其中抗震銷因一般不允許墩梁發(fā)生較大的相對位移,使用時宜對局部受(沖擊)力和橋墩損傷情況做適當(dāng)分析。綜合國內(nèi)外橋梁抗震實踐,筆者較傾向于采用拉索限位器,國內(nèi)的柳州歐維姆公司已有定型產(chǎn)品,并在臺灣、山西及四川等省初步應(yīng)用。陜西西安機場高速公路橋梁減震系統(tǒng)的設(shè)計中,也采用拉索限位器來防止落梁震害。目前在高等級公路橋梁設(shè)計中,較多采用橋面連續(xù)簡支梁橋或先簡支后連續(xù)梁橋形式,防落梁構(gòu)造宜在各個橋墩處都有設(shè)置,而非僅在伸縮縫處。2.2支架橋防護臺設(shè)計方法僅就蓋梁支承寬度和拉索限位器設(shè)計方法做簡單介紹。2.2.1橋橋、斜交橋和曲線橋蓋梁汶川大地震后,交通運輸部頒布施行了《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(簡稱《08細則》),規(guī)定了簡支梁橋、斜交橋和曲線橋蓋梁的最小支承寬度,有關(guān)條文源于日本規(guī)范。比較國際上的現(xiàn)行規(guī)范,日本規(guī)范規(guī)定的蓋梁最小支承寬度一般為較高值,在實際橋梁設(shè)計時可照此執(zhí)行。2.2.2基于修正caltrans方法的設(shè)計方法拉索限位器在20世紀70年代即開始應(yīng)用,安裝在簡支梁跨和懸臂梁跨,以防止發(fā)生落梁破壞。其在1989年LomaPrieta地震中經(jīng)受了考驗,認為是最經(jīng)濟、有效的防止落梁破壞裝置。之后,在設(shè)計方法、連接細部等方面也進行了若干改進。美國較多采用墩梁連接形式的拉索限位器,對簡支梁橋規(guī)范設(shè)計方法主要有:Caltrans(加州運輸部)方法和AASHTO方法。Saiidi對簡支梁橋拉索限位器設(shè)計方法進行詳細研究,提出了W/2方法、細化設(shè)計方法和修正Caltrans方法。W/2方法假定主梁脫離墩頂后被拉索限位器懸吊,將承擔(dān)主梁一半的重力;細化設(shè)計方法區(qū)分邊跨、跨中及支座類型,考慮墩柱、地震動、場地等因素,其較為復(fù)雜,不便應(yīng)用。本文提出的拉索限位器設(shè)計方法主要基于修正的Caltrans方法。主要步驟如下:(1)評估蓋梁支承寬度,若大于表1中的要求值,則按“最小用量要求”設(shè)置拉索限位器。表1數(shù)據(jù)源于在僅考慮主梁質(zhì)量并假定支座破壞后力學(xué)特性以庫侖摩擦理論描述的“單墩”模型基礎(chǔ)上提出的半經(jīng)驗的墩梁相對位移譜(Sr譜)的統(tǒng)計分析,并偏安全地以3s周期對應(yīng)的Sr值確定蓋梁支承寬度要求?？梢钥闯?按《08細則》設(shè)計的I～III類場地條件的橋梁,若不考慮近斷層地震動影響,則蓋梁支承寬度能滿足表1要求。(2)若不滿足(1)項,在墩梁可能發(fā)生最大允許相對位移的情況下,確定拉索限位器設(shè)計位移,設(shè)計地震力采用僅考慮拉索限位器剛度的單自由度體系模型(假定橋墩無限剛及支座完全破壞),用反應(yīng)譜方法計算(圖14)。設(shè)計地震力為F=WSa,max(1)F=WSa,max(1)式中W為一跨主梁的質(zhì)量;Sa,max為E2地震作用下體系對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值。(3)最小用量要求:滿足拉索剛度0.3～0.5倍橋墩剛度和設(shè)計拉力F。F=1.5khWg(2)F=1.5khWg(2)式中kh為水平地震系數(shù);W為一跨梁主梁的質(zhì)量;g為重力加速度。之所以采用0