橋梁結構震害及抗震設計理念淺議

謝華偉 雷敘淥

0 引言

地震具有突發性和強破壞力的特點,通常對公路工程具有極大的破壞作用致使嚴重的交通中斷。橋梁作為“生命線工程”的重要組成部分,在地震發生后發生損壞坍塌,會給緊急救援和抗震救災帶來更多困難,不僅阻礙當前的救災行動,還會影響災后的恢復工作,因此應對橋梁抗震給予重視。

在世界上的兩個主要地震帶:環太平洋地震帶和歐亞地震帶中,環太平洋地震帶是最活躍的,集中了全世界80%以上的地震[1]。我國大部分地區夾在這兩大地震帶之間,是一個多地震的國家,具有地震頻率高,強度大且分布范圍廣的特點[2]。近年來,強烈地震頻頻發生,1976年河北唐山大地震、1999年臺灣集集地震以及2008年的汶川大地震,都造成了人民財產與生命的巨大損失,公路和鐵路橋梁的嚴重毀壞更給抗震救災造成巨大的困難,給人們留下了更慘痛的記憶。這些地震災害的教訓,使各國公路建設人員以及學者對橋梁抗震研究越來越重視,開展了廣泛的研究。如何保證橋梁在地震作用下以及地震后仍能通行,是橋梁抗震中的一個重要課題。

1 地震引起的橋梁震害

強烈的地震常引起地表的變化,如地裂、斷層等破壞,而橋梁作為生命線工程中的重要組成部分,一旦破壞便會造成震后救災工作的巨大困難,使得次生災難加重。通過調查與了解橋梁的震害及其產生的原因,以便建立正確的抗震設計方法并采取有效的抗震措施是應對地震災害的有效方式。對各次地震引起的震害調查進行總結,發現橋梁震害主要有以下幾方面。

1.1 上部結構的震害

地震區內,梁、拱上部結構自身因遭受地震而破壞的情形是較少見的,往往是由于橋梁結構其他部位的毀壞而導致梁體、拱體的損傷。例如支承連接件失效或下部結構失效等引起的落梁、主梁的移動、扭曲、裂縫等現象。在地基良好的條件下,即使是延性很差的圬工拱橋,也都具有良好的抗震能力,但地基較差或采用柔性樁墩的多孔拱橋,上部結構震害較嚴重[3]。在破壞性地震中,落梁震害較為常見,地震時的地面搖動和地震引起的地面瞬時變形都能導致橋梁上部結構的運動,當梁與墩(臺)相對位移過大,支座喪失約束能力后便會發生落梁震害。

1.2 支座的震害

支承連接構件是結構構件之間聯系、傳力的關鍵部位,該類構件在歷次破壞性地震中的損壞現象比較普遍。其形式主要表現為支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等。此類破壞之后,結構力的傳遞方式也相應發生了變化,從而使得結構其他部位的抗震受到影響,進一步加重震害。

1.3 下部結構的震害

下部結構的震害包括橋臺、橋墩的震害。橋臺震害主要表現為橋臺向河心滑移導致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂,橋頭引道沉降,翼墻損壞、開裂。橋臺的滑移與傾斜會進一步使主梁受壓破壞,甚至使主梁坍毀。橋墩的震害主要表現為橋墩沉降、傾斜、移位,墩身開裂、剪斷,受壓緣混凝土崩潰,鋼筋裸露屈曲,橋墩與基礎連接處開裂、折斷等[4]。

1.4 地基與基礎震害

地基與基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌,在震后難以修復使用的重要原因。地基破壞主要表現為砂土液化、地基失效、基礎沉降和不均勻沉降破壞及由于上承載力和穩定性不夠所導致的地面大變形,地層發生水平滑移、下沉等。擴大基礎自身的震害極為少見,但不良的地質條件也會導致出現沉降、滑移等現象;樁基礎承臺的體積、強度和剛度都很大,也極少發生破壞,但樁基的傾斜、下沉、滑移、裂縫、傾覆等破壞現象亦有發生。

2 橋梁抗震的合理途徑

對各次地震的震害調查結果進行分析,結合抗震經驗,研究者認為傳統的抗震對策難以確保橋梁在地震中的安全性。比較合理有效的抗震途徑應該是采用抗震、隔震、減震相結合的綜合防災對策。

2.1 橋梁的抗震設計

根據橋梁結構地震災害的統計分析,工程人員現常見的橋梁抗震設計方法有:設計靜力法、反應譜法和動態時程法。靜力法假設結構各個部分與地震振動具有相同的振動,從而作用于結構物的慣性力即可由地面運動加速度與各部分的質量乘積得到。靜力法把地震加速度看作是橋梁結構破壞的唯一因素,忽略了結構本身動力特性的影響,存在較大局限性。反應譜的概念是由美國學者M-A.Boit提出的,并給出了第一條彈性反應譜;G.M.Housner提出了基于反應譜理論抗震計算的反應譜法。動態時程分析法是20世紀60年代以后伴隨有限元法、計算機技術的發展出現的,該法將橋梁結構離散成多節點、多自由度的有限元模型,將地震強迫振動的激振直接輸入,并借助計算機逐步積分求解結構響應。

2.2 橋梁的隔震設計

橋梁結構隔震的原理是增加結構的柔性以延長結構的自振周期,減小由地震產生的地震荷載[6]。增加結構的阻尼或能量耗散能力是減小結構地震響應較為實用的抗震方法,較為現實的方法有:采用減、隔震支座在梁體與墩、臺的連接處增加結構的柔性和阻尼,大量的試驗和分析都表明這種連接方式對橋梁結構的地震響應有很大的影響,能有效地減小墩、臺所受的地震力。利用橋墩延性減震,是橋梁抗震設計中常用的方法。其原理是將橋墩某些部位設計得具有足夠的延性,強震作用下這些部位便會形成穩定的塑性鉸,并產生彈塑性變形延長結構周期、耗散地震能量。

3 抗震設計中的注意事項

盡管許多抗震及隔震措施能對橋梁結構在地震作用下的分災效果較好,但是仍有些在抗震設計過程中需要注意的問題。

在多級設防標準的要求下,對結構強度、延性變形、結構控制、結構整體穩定也要遵循多級設防的原則進行。在分析原有結構抗震性能的基礎上,應提出地震響應相對更為適合的結構類型。對結構抗震設計要從設計角度提高結構的防震能力,并系統考慮結構的行為能力設計。

針對目前大量橋梁倒塌毀壞的教訓,應該開展抗震支座、各類橋墩的延性設計研究,利用約束混凝土以提高橋梁墩體的延性。結合我國橋梁結構的情況研究結構控制的有效形式,加強抗震措施,采用“以柔克剛”的設計思想考慮地震區結構抗震的設計方法,改變“以剛克剛”的傳統設防觀點。

4 結論及建議

橋梁結構作為地震災害后緊急救援以及運送物資的必要條件,在地震災害中的保通與安全至關重要。我國在橋梁抗震方面的不足主要是缺乏大量的基礎性研究。尤其是橋梁的抗震減災涉及多學科、多領域,而我國對橋梁抗震新結構、新技術的研究和應用遠遠落后于國外。因此我們在橋梁設計過程中更要認真分析結構的地震響應和特性,設計有效的抗震措施以達到結構的防震和抗震效果,以便提高和完善橋梁結構物的抗震性能,這對交通運輸行業的經濟性和社會效應性同樣有益。

[1]王根龍,張軍慧,梁永朵.中國地震災害現狀及地震災害系統工程研究[J].災害學,2006,21(3):15-19.

[2]趙榮國,李衛平,張 虹.2005年地震災害綜述[J].國際地震動態,2006(1):20-23.

[3]張煜敏.考慮強震序列作用的連梁裝置分析研究[D].西安:長安大學學位論文,2008:6-10.

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

[5]譚 文.淺談橋梁抗震設計中應注意的幾個問題[J].山西建筑,2008,34(5):124-125.

[6]胡 鵬.減隔震裝置在橋梁抗震加固中的應用[J].建材設計與應用,2006(2):12-14.