桥梁结构震害及抗震设计理念浅议

谢华伟 雷叙渌

0 引言

地震具有突发性和强破坏力的特点,通常对公路工程具有极大的破坏作用致使严重的交通中断。桥梁作为“生命线工程”的重要组成部分,在地震发生后发生损坏坍塌,会给紧急救援和抗震救灾带来更多困难,不仅阻碍当前的救灾行动,还会影响灾后的恢复工作,因此应对桥梁抗震给予重视。

在世界上的两个主要地震带:环太平洋地震带和欧亚地震带中,环太平洋地震带是最活跃的,集中了全世界80%以上的地震[1]。我国大部分地区夹在这两大地震带之间,是一个多地震的国家,具有地震频率高,强度大且分布范围广的特点[2]。近年来,强烈地震频频发生,1976年河北唐山大地震、1999年台湾集集地震以及2008年的汶川大地震,都造成了人民财产与生命的巨大损失,公路和铁路桥梁的严重毁坏更给抗震救灾造成巨大的困难,给人们留下了更惨痛的记忆。这些地震灾害的教训,使各国公路建设人员以及学者对桥梁抗震研究越来越重视,开展了广泛的研究。如何保证桥梁在地震作用下以及地震后仍能通行,是桥梁抗震中的一个重要课题。

1 地震引起的桥梁震害

强烈的地震常引起地表的变化,如地裂、断层等破坏,而桥梁作为生命线工程中的重要组成部分,一旦破坏便会造成震后救灾工作的巨大困难,使得次生灾难加重。通过调查与了解桥梁的震害及其产生的原因,以便建立正确的抗震设计方法并采取有效的抗震措施是应对地震灾害的有效方式。对各次地震引起的震害调查进行总结,发现桥梁震害主要有以下几方面。

1.1 上部结构的震害

地震区内,梁、拱上部结构自身因遭受地震而破坏的情形是较少见的,往往是由于桥梁结构其他部位的毁坏而导致梁体、拱体的损伤。例如支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象。在地基良好的条件下,即使是延性很差的圬工拱桥,也都具有良好的抗震能力,但地基较差或采用柔性桩墩的多孔拱桥,上部结构震害较严重[3]。在破坏性地震中,落梁震害较为常见,地震时的地面摇动和地震引起的地面瞬时变形都能导致桥梁上部结构的运动,当梁与墩(台)相对位移过大,支座丧失约束能力后便会发生落梁震害。

1.2 支座的震害

支承连接构件是结构构件之间联系、传力的关键部位,该类构件在历次破坏性地震中的损坏现象比较普遍。其形式主要表现为支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等。此类破坏之后,结构力的传递方式也相应发生了变化,从而使得结构其他部位的抗震受到影响,进一步加重震害。

1.3 下部结构的震害

下部结构的震害包括桥台、桥墩的震害。桥台震害主要表现为桥台向河心滑移导致桩柱式桥台的桩柱倾斜、折断和开裂,桥头引道沉降,翼墙损坏、开裂。桥台的滑移与倾斜会进一步使主梁受压破坏,甚至使主梁坍毁。桥墩的震害主要表现为桥墩沉降、倾斜、移位,墩身开裂、剪断,受压缘混凝土崩溃,钢筋裸露屈曲,桥墩与基础连接处开裂、折断等[4]。

1.4 地基与基础震害

地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌,在震后难以修复使用的重要原因。地基破坏主要表现为砂土液化、地基失效、基础沉降和不均匀沉降破坏及由于上承载力和稳定性不够所导致的地面大变形,地层发生水平滑移、下沉等。扩大基础自身的震害极为少见,但不良的地质条件也会导致出现沉降、滑移等现象;桩基础承台的体积、强度和刚度都很大,也极少发生破坏,但桩基的倾斜、下沉、滑移、裂缝、倾覆等破坏现象亦有发生。

2 桥梁抗震的合理途径

对各次地震的震害调查结果进行分析,结合抗震经验,研究者认为传统的抗震对策难以确保桥梁在地震中的安全性。比较合理有效的抗震途径应该是采用抗震、隔震、减震相结合的综合防灾对策。

2.1 桥梁的抗震设计

根据桥梁结构地震灾害的统计分析,工程人员现常见的桥梁抗震设计方法有:设计静力法、反应谱法和动态时程法。静力法假设结构各个部分与地震振动具有相同的振动,从而作用于结构物的惯性力即可由地面运动加速度与各部分的质量乘积得到。静力法把地震加速度看作是桥梁结构破坏的唯一因素,忽略了结构本身动力特性的影响,存在较大局限性。反应谱的概念是由美国学者M-A.Boit提出的,并给出了第一条弹性反应谱;G.M.Housner提出了基于反应谱理论抗震计算的反应谱法。动态时程分析法是20世纪60年代以后伴随有限元法、计算机技术的发展出现的,该法将桥梁结构离散成多节点、多自由度的有限元模型,将地震强迫振动的激振直接输入,并借助计算机逐步积分求解结构响应。

2.2 桥梁的隔震设计

桥梁结构隔震的原理是增加结构的柔性以延长结构的自振周期,减小由地震产生的地震荷载[6]。增加结构的阻尼或能量耗散能力是减小结构地震响应较为实用的抗震方法,较为现实的方法有:采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼,大量的试验和分析都表明这种连接方式对桥梁结构的地震响应有很大的影响,能有效地减小墩、台所受的地震力。利用桥墩延性减震,是桥梁抗震设计中常用的方法。其原理是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性,强震作用下这些部位便会形成稳定的塑性铰,并产生弹塑性变形延长结构周期、耗散地震能量。

3 抗震设计中的注意事项

尽管许多抗震及隔震措施能对桥梁结构在地震作用下的分灾效果较好,但是仍有些在抗震设计过程中需要注意的问题。

在多级设防标准的要求下,对结构强度、延性变形、结构控制、结构整体稳定也要遵循多级设防的原则进行。在分析原有结构抗震性能的基础上,应提出地震响应相对更为适合的结构类型。对结构抗震设计要从设计角度提高结构的防震能力,并系统考虑结构的行为能力设计。

针对目前大量桥梁倒塌毁坏的教训,应该开展抗震支座、各类桥墩的延性设计研究,利用约束混凝土以提高桥梁墩体的延性。结合我国桥梁结构的情况研究结构控制的有效形式,加强抗震措施,采用“以柔克刚”的设计思想考虑地震区结构抗震的设计方法,改变“以刚克刚”的传统设防观点。

4 结论及建议

桥梁结构作为地震灾害后紧急救援以及运送物资的必要条件,在地震灾害中的保通与安全至关重要。我国在桥梁抗震方面的不足主要是缺乏大量的基础性研究。尤其是桥梁的抗震减灾涉及多学科、多领域,而我国对桥梁抗震新结构、新技术的研究和应用远远落后于国外。因此我们在桥梁设计过程中更要认真分析结构的地震响应和特性,设计有效的抗震措施以达到结构的防震和抗震效果,以便提高和完善桥梁结构物的抗震性能,这对交通运输行业的经济性和社会效应性同样有益。

[1]王根龙,张军慧,梁永朵.中国地震灾害现状及地震灾害系统工程研究[J].灾害学,2006,21(3):15-19.

[2]赵荣国,李卫平,张 虹.2005年地震灾害综述[J].国际地震动态,2006(1):20-23.

[3]张煜敏.考虑强震序列作用的连梁装置分析研究[D].西安:长安大学学位论文,2008:6-10.

[4]徐一卓,马 蒿.公路桥梁震害分析及抗震加固方法[J].山西建筑,2010,36(4):319-320.

[5]谭 文.浅谈桥梁抗震设计中应注意的几个问题[J].山西建筑,2008,34(5):124-125.

[6]胡 鹏.减隔震装置在桥梁抗震加固中的应用[J].建材设计与应用,2006(2):12-14.