汶川大地震中公路簡支梁橋橫向落梁現象的初步分析

王瑋津,付 威

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

汶川大地震中公路簡支梁橋橫向落梁現象的初步分析

王瑋津,付 威

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

“5·12”汶川大地震造成震中及周邊地區橋梁設施大規模坍塌及損壞。文章針對地震造成的公路簡支梁橋橫向落梁現象初步研究了《公路工程抗震設計規范》JTJ004-89中的有關規定;建立了相關的模型,做了初步分析;提出了相應的防治措施;并對該課題的進一步研究提出了設想。

地震; 簡支梁橋; 橫向落梁; 措施

汶川地處山區,此次大地震導致震中以及周邊地區公路橋梁、公路交通設施及公路建筑物損毀嚴重。調查顯示,公路橋梁多為簡支梁橋,橋梁橋臺損壞較少,墩柱常見剪切破壞和地基液化導致的不均勻沉降;落梁現象較多,未落梁部分梁體的橫向移位也較嚴重。

公路橋梁作為交通干道的重要組成部分,其破壞往往給地震后的搶險救災工作帶來巨大的困難,加重次生災害[1]。因此對公路橋梁的破壞進行分析,以及研究相應的有效抗震防護措施就顯得尤為重要。本文僅對地震中,公路簡支梁橋的橫向落梁這一種破壞形式的成因及相應的防護措施進行初步分析。

1 地震對橋梁的破壞

地震對橋梁的破壞主要是由于地表破壞和橋梁受震破壞引起的。

1.1 地表破壞

地表破壞有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等現象。

地裂會造成橋梁跨度的縮短、伸長或墩臺下沉等嚴重的橋跨和墩臺變形,從而導致落梁。滑坡、塌方和岸坡滑移多發生在在陡峻山區或砂性土和軟黏土河岸處,會直接導致橋梁墩臺乃至整體破壞,從而引起落梁。砂土液化多發生在淺層的飽和疏松砂土處,致使墩臺不均勻下沉,從而引起落梁。

圖1 支座破壞

1.2 橋梁受震破壞

橋梁受震破壞是由于地震使橋梁產生水平面內的縱向、橫向震動和豎向震動,造成橋梁的破壞。有些橋梁雖然在強度上能夠承受地震的振動力,但由于梁體、支座與墩臺間產生了過大的相對位移,因而導致橋梁破壞(圖 1～圖 3)。

圖 2 落梁破壞、橋墩傾斜

圖3 橫向變位

橋梁受震破壞主要表現為:①橋臺、橋墩傾斜、開裂、折斷或下沉;②支座彎扭、斷裂、傾倒或脫落;③橋梁上部結構和下部結構間相對位移;④落梁。

這四種破壞主要表現形式在橋梁震害中往往是以組合的方式出現的。其中,第三種形式與第四種形式間聯系緊密。嚴格的說來,相對位移達到一定程度時,梁體就會從支座上掉落,即第三種形式的進一步發展就是第四種形式。

1.3 橋梁落梁及其原因

引起橋梁落梁的原因有很多。其一是橋梁墩臺破壞,引起落梁。其二是支座破壞,引起上部結構從支承上脫落;或者梁與橋墩(臺)的相對位移過大,支座喪失約束能力,引起落梁。其三是擋塊的裂損引起落梁。此外,還有其他一些原因也會引起落梁,本文不再贅述。

本文僅討論橋墩(臺)等橋梁下部結構完整的情況下,因橫向水平地震力導致梁體和支座間產生過大的相對位移,從而引起的橫向落梁現象。

2 公路簡支梁橋的結構與抗震要求

2.1 公路橋的結構

簡支梁橋是一種在豎向移動式荷載作用下無水平反力的結構體系。震中及附近地區在地震中破壞的公路橋多為簡支梁橋(圖4)。

圖4 簡支梁橋示意

2.2 規范對公路簡支梁橋的橫向抗震要求

2.2.1 橋墩

按我國《公路工程抗震設計規范》JTJ004-89(以下簡稱《規范》)第 4.2.2條進行公路簡支梁橋橋墩的水平地震作用計算[4](圖 5)。

圖5 結構計算簡圖

《規范》中默認橋墩在橫橋向水平地震荷載作用下為一階振型,橋墩變形曲線如圖 5所示。假設在此振型下墩頂的最大位移 X10=1。梁橋橋墩所承受的橫橋向水平地震荷載按下列公式計算。

式中:Eihp為作用于梁橋橋墩質點 i的水平地震荷載(kN);Ci為重要性修正系數;Cz為綜合影響系數;Kh為水平地震系數;β1為相應于橋墩順橋向或橫橋向的基本周期的動力放大系數;γ1為橋墩順橋向或橫橋向的基本振型參與系數;X1i為橋墩基本振型在第 i分段重心處的相對水平位移。

由上式可得,橋墩(臺)頂部所受地震荷載:

2.2.2 橋臺

按《規范》第 4.2.9條橋臺的橫向水平地震作用計算如下:

式中:Ehau為作用于臺身重心處的水平地震作用力(kN);Gau為基礎頂面以上臺身的重力(kN)。

《規范》未作明確規定縱向及橫向荷載的區別,在此默認為縱向與橫向采用同一公式計算。規范上未給出結構計算簡圖,分析應類似于橋墩,在此不做贅述。

2.2.3 支座

按《規范》第 4.2.12條支座的橫向水平地震作用計算如下:

式中:Ezb為作用于固定支座或活動支座上橫橋向的水平地震荷載(kN);Gsp為上部結構重力(kN),對于簡支梁橋為一孔上部結構重力的一半。

根據規范,取支座為研究對象,受力分析如圖6。支座受到橫橋向水平地震荷載 Ezb和與梁體間的摩擦力f。因為規范假設支座與橋墩間無相對位移,支座與橋墩視為一體,所以支座所受到的合力等于橋墩所受到的橫橋向水平地震荷載F,即有F=F'-f。

因為f始終為正值,所以F恒大于F′,即橋墩受到的橫橋向水平地震荷載恒大于支座受到的橫橋向水平地震荷載。故在此假設支座受到與橋墩同樣大小的橫橋向水平地震荷載,取荷載的較大值偏于安全,也便于下文建模分析計算。

2.2.4 梁體

《規范》對梁體無具體條文。《規范》中第 4.1.3條的條文說明中明確指出:根據以往經驗,凡按常規設計的簡支梁橋上部構造,即使受到 9度甚至 10度地震的影響也基本上沒有什么破壞,而僅在上、下部構造的連結部位發生比較輕微的震害。因此簡支梁的上部構造可不進行抗震強度和穩定性的驗算。

2.2.5 分析

《規范》中的上述條文,對橋墩受到地震荷載的橫向水平位移有明確規定;默認為支座與橋墩為同一整體;對橋臺的橫向水平位移沒有明確規定;對梁體不要求進行抗震強度和穩定性驗算,默認當橋墩、橋臺和支座均滿足抗震要求時,梁體與支座間沒有相對位移。

在此次汶川大地震中,在公路簡支梁橋的橋墩(臺)和支座均沒有破壞的情況下,仍然有橫向落梁現象發生,與《規范》所述有所不符。因此,有必要重新考慮此種情況,本文針對橋墩(臺)和支座均完整的情況下,對梁體與支座間產生的橫向水平相對位移進行初步分析,并提出相應的防治措施。

圖6 結構計算簡圖

3 地震中公路簡支梁橋橫向落梁現象的初步分析

3.1 相關假設

為了簡化計算模型,本文做出相關假設如下;

(1)因為本文僅研究公路簡支梁橋的橫向落梁,所以將地震力簡化為只考慮橫橋向水平地震力的影響,忽略順橋向水平地震力和豎向地震力的影響。

(2)為了簡化橋墩的計算模型,將橋墩視為剛體,只受到橫橋向水平地震力的作用。由 2.2.2可得,為了簡化橋臺的計算模型,假設橋臺與橋墩的計算模型相同。

(3)為了簡化支座的受力,假設支座為剛體,不考慮支座的自身變形。假設支座與橋墩為同一剛體,二者間無相對位移;假設支座為各向同性材料,順橋向與橫橋向的摩擦系數相同(均為μ)。由 2.2.3節可得,為了簡化支座的計算模型,假設橋墩受到的橫橋向水平地震荷載等于支座受到的橫橋向水平地震荷載。

(4)為了簡化梁體的計算模型,假設每一片梁體完全相同。同理,假設每一個橋墩完全相同。

3.2 地震傳力過程

隨著地震的開始,橫橋向水平地震荷載逐漸作用于橋墩上。在前面的假設中已默認橋墩和支座為一個整體,故認為支座所受到的橫橋向水平地震荷載與橋墩相同。因為每一個橋墩完全相同,所以認為每一個橋墩所受到的橫橋向水平地震荷載大小相同,方向可能相同也可能相反。

根據上述假設可以推出,同一片梁體的兩個橋墩,所受到的橫橋向水平地震荷載的組合情況有兩種:第一種組合為兩個橋墩受到大小相等,方向相同的地震荷載,墩頂的位移同時同向;第二種組合為兩個橋墩受到大小相等,方向相反的地震荷載,墩頂的位移同時反向。

3.3 橫向落梁分類

支座與梁體間有摩擦力,支座通過摩擦力將地震荷載傳遞給梁體。

隨著地震的開始,在橫橋向水平地震荷載的作用下,橋墩和支座開始產生位移,梁體在靜摩擦力的作用下與支座一起做橫橋向運動,梁體與支座間沒有相對位移。

隨著橫橋向水平地震荷載的增加,橋墩與支座的位移逐漸增大。當橫橋向水平地震荷載的大小達到梁體與支座間的最大靜摩擦力大小時,梁體與支座就會產生相對位移。當相對位移達到一定大小時,梁體就會從支座上傾落,即落梁。

基于 3.2節中推出的結論——橋墩所受的地震荷載有兩種組合,可以進一步推出支座傳遞給梁體的摩擦力也有兩種組合,可以再進一步推出橫向落梁現象也有兩種(圖7)。

圖7 落梁示意圖

現象一:同一片梁的兩端均受到支座傳來的一對大小相等、方向相同的摩擦力作用,梁體做平移運動,最后向橫橋向的同一方向呈水平平移狀落梁。

現象二:同一片梁兩端均有受到一對大小相等、方向相反的摩擦力作用,梁體繞中點轉動,最后成轉角為 θ的水平轉體狀落梁。

3.4 模型分析

3.4.1 模型建立

由 3.2節、3.3節中假設和推導可知,兩種落梁現象雖然不同,但是取一半梁體和每個支座作為研究對象時,受力分析是完全相同的。

假設每片梁體長度為 L,一半梁體重量為 G/2。支座質量為 m,寬度為b。建立模型如圖 8所示。

3.4.2 受力及位移分析

如前所述,地震開始時,梁體與支座一起運動,此時橋墩與支座所受到的橫橋向水平地震荷載F等于梁體所受的靜摩擦力f,即F=f。隨著橫橋向水平地震荷載的增加,梁體與支座開始出現橫橋向相對位移,此時F大于梁體與支座間的最大靜摩擦力fj,即F>fj。出現相對位移后,梁體與支座間的摩擦力為滑動摩擦力fd,有fd=μ×(G/2)。理論上可知fj>fd。

圖8 結構計算簡圖

3.4.3 橫向落梁的極限條件

當梁體與支座間的橫橋向相對位移ΔS超出半個支座寬度,即ΔS=b/2時,梁體就會從支座上掉下,即落梁。嚴格來講,可能在ΔS還沒有超出半個支座寬度時,梁體已失去平衡從支座上掉下。所以,應將半個支座寬度b/2乘以一個折減系數k,即發生橫向落梁的極限條件為ΔS>b/2×k(k為折減系數,0

3.4.4 防止橫向落梁的措施

為了防止公路簡支梁橋的橫向落梁,本文采用的是在梁體與支座發生橫橋向水平相對位移的方向設置擋塊,使梁體與支座間不產生橫橋向相對位移;或產生不至于落梁的橫橋向相對位移,便于震后修復將梁體移回原位,從而達到防止橫向落梁的目的(圖9)。

3.4.5 擋塊受力計算

從 3.4.3節推導可得,當梁體與支座無相對位移時,擋塊受力為最大值;當梁體與支座有相對位移時,擋塊受力未達到最大值。為了簡化計算,本文僅計算第一種情況——梁體與支座無相對位移時擋塊受力的最大值。

擋塊受力為最大值時,梁體與支座無相對位移,即 ΔS= 0。梁體位移S2應等于支座位移 S1,即 S2=S1。由假設可知,支座位移與墩頂位移Xl0相等,即S2=S1=Xl0。滿足這一條件時,梁體受到的合外力與橋墩所受到的地震荷載大小相等。

圖9 橫向擋塊示意

圖 10 梁體受力分析簡圖

設擋塊此時受到的外力為 Fx,取一半梁體作為受力分析的對象,受力分析如圖 10所示,則有:

擋塊的設計應根據Fx的大小來確定。擋塊的設計受橫橋向水平力應大于計算所得的Fx,嚴格來講,等于Fx乘以一個安全系數k',即=Fx×k′(0

擋塊的詳細設計,如配筋等在此不做贅述。

4 擋塊及其他防止橫向落梁措施的特點

4.1 擋塊及特點

橋梁防震擋塊是最常見的防止橫向落梁的裝置之一。經調查,在汶川大地震中,橋梁防震擋塊在一定程度上防止了橫向落梁,但擋塊自身受損嚴重。當擋塊的受損達到一定程度時,橫向防落梁的功能就會失效。因此,分析擋塊的受損原因以及相應的解決措施是必要的。

經調查,這些擋塊的受損通常發生在擋塊與蓋梁(臺帽)的連接部位,受損的原因主要有三點:

(1)梁體與擋塊發生橫橋向的相對移動時,擋塊受到撞擊,同時與蓋梁的連接處存在較強的剪切作用;

(2)部分擋塊尺寸較小,配筋不足,擋塊與蓋梁之間鋼筋連接考慮不足;

(3)橋梁在施工過程中處理不當,或設計不符合要求。

針對以上三點,為避免地震造成公路簡支梁橋的橫向落梁,從設計上來講應優化擋塊設計,避免因設計不當而造成的擋塊裂損;從施工上來講應注意相關工藝的處理。二者缺一不可。

4.2 其他防止橫向落梁的措施及特點

其他防止橫向落梁的裝置還有很多,例如中鐵二院工程集團有限責任公司設計的橋梁抗震連桿防落梁構造(申請號/專利號:200820223121)。它包括設置在相鄰梁體之間和橋臺與梁體之間的連桿裝置,在橋梁全長方向上形成至少一聯柔性連接體系,利用柔性連接體系在橋臺與梁體、梁體與梁體之間建立起連接聯系,降低地震對橋梁造成的橫向落梁破壞,有效地起到防止橫向落梁的作用。

另外,設置防止橫向落梁裝置的目的是為了限制上部結構與橋墩頂部的相對變形,這與隔振設計的原則有一定的沖突。因此,必須對這些防落梁構造措施所造成的隔震橋梁動力特性的影響進行深入研究[3]。

5 結 論

(1)《公路工程抗震設計規范》JTJ004-89中相關條文默認簡支梁橋的梁體與支座間相對位移可以忽略不計,與此次汶川大地震中公路簡支梁橋的橋墩、支座均完好時發生的橫向落梁現象有所不符。有必要重新考慮梁體與支座間產生的橫向水平相對位移的產生條件,進行相關的分析,并提出相應的防治措施。

(2)為了分析公路簡支梁橋橫向落梁的產生原因,本文做出了相關假設,建立了相關的力學模型,進行了受力分析,初步確定了橫向落梁的極限條件。

(3)擋塊能限制橫橋向位移,在地震中起到了一定程度上的橫向防落梁作用,但發揮作用的同時也對橋梁主體結構有一定的影響。這些影響在某種組合下,可能導致結構整體破壞,從而引起落梁。因此,應就擋塊的合理設計與設置進行深入的研究。

6 展 望

由上述分析和結論可以看出,本課題還有進一步研究的必要性,例如擋塊的設計與優化、擋塊對橋梁主體結構的地震響應影響等。

[1] 范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997

[2] 王志強,范立礎.防落梁裝置對隔震橋梁動力特性的影響[M].北京:人民交通出版社,2001

[3] 魯傳安,胡世德.強震區大跨高墩連續梁橋抗震性能研究[J].結構工程師,2007,23(6)

[4] 柳春光.橋梁結構地震響應與抗震性能分析[M].北京:中國建筑工業出版社,2009

[5] JTJ004-89公路工程抗震設計規范[S]

U442.5+5

B

2010-08-08