簡(jiǎn)支體系橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)支體系橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)

1橋梁震害的原因分析在西部高烈度地震的山區(qū)，簡(jiǎn)條橋梁由于其清晰的壓力、良好的使用性和低工程成本而被廣泛使用。然而，交通部的《道路安全設(shè)計(jì)規(guī)范》（jtj04-89）相對(duì)簡(jiǎn)單，因此存在一些不足。因此，對(duì)簡(jiǎn)化道路交叉口橋梁的抗疲勞動(dòng)設(shè)計(jì)更為緊迫。通過震害調(diào)查分析橋梁震害的原因是建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法、采取有效的抗震措施最直接的科學(xué)依據(jù)。雖然國(guó)內(nèi)外積累了較為豐富的橋梁震害資料,但均未針對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行專門整理,對(duì)中小跨度簡(jiǎn)支梁在地震中的破壞形式、破壞原因在認(rèn)識(shí)上還較為模糊,在我國(guó)還存在對(duì)國(guó)外震害資料及抗震措施借鑒不足的問題。依據(jù)文獻(xiàn)的震害調(diào)查資料,對(duì)簡(jiǎn)支橋梁震害進(jìn)行整理、分析,歸納出簡(jiǎn)支體系橋的主要破壞方式,并對(duì)破壞原因進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)照國(guó)外所進(jìn)行的補(bǔ)強(qiáng)措施及規(guī)范修訂情況,闡述中國(guó)現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范的不足,對(duì)西部地震區(qū)簡(jiǎn)支橋梁抗震設(shè)計(jì)提出了建議。2橋梁地基震害簡(jiǎn)支橋梁是受力最明確、結(jié)構(gòu)體系最簡(jiǎn)單的橋梁結(jié)構(gòu),其主要構(gòu)件包括:主梁、橋墩、橋臺(tái)、支座、伸縮縫共5類,這些構(gòu)件或設(shè)施都可能發(fā)生震害,此外,橋梁地基也可能出現(xiàn)震害。本文收集了國(guó)內(nèi)6次、國(guó)外4次大地震的橋梁震害資料,共包含111座簡(jiǎn)支橋梁的震害,對(duì)其進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表1。由表1可知,簡(jiǎn)支體系橋梁可能出現(xiàn)的6類震害,在震害調(diào)查中均有發(fā)現(xiàn),但表中出現(xiàn)前3類震害的橋梁總數(shù)達(dá)100座,占收集的震害橋梁總數(shù)的90%,顯然,這3類震害是最為常見的震害。從震害的危害性來說,這3類震害極易出現(xiàn)全橋倒塌的慘劇,因此是設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)防范的震害。3受損和死亡3.1鏈桿支護(hù)破壞綜合文獻(xiàn)的調(diào)查結(jié)果,在中、美、日等國(guó)的多個(gè)地震中,支座的破壞現(xiàn)象均較為普遍。鋼支座的主要震害現(xiàn)象有:①支座與橋墩的連接構(gòu)造如錨固螺栓等破壞,連接構(gòu)造可能被剪斷也可能被拔除。②鉸支座(固定支座)破壞并翻倒,圖1所示的京山線K194+048永定新河橋以及唐山地震中京山線灤河大橋等。③鏈桿支座(活動(dòng)支座)破壞,采用擺軸支座的灤河大橋(位于9度區(qū)),在1976年唐山地震中,其擺軸支座大部分傾倒,橋梁遭到嚴(yán)重破壞。板式橡膠支座的主要震害現(xiàn)象有:①滑板橡膠支座不能約束主梁。圖2所示為阪神地震中西宮港弧橋因滑板橡膠支座不能約束主梁的位移而導(dǎo)致落梁的情況。②板式橡膠支座因剪切變形過大而翻滾,這一現(xiàn)象在日本阪神地震及唐山地震中多次出現(xiàn)。對(duì)表1的支座震害進(jìn)行進(jìn)一步的分類統(tǒng)計(jì)可知,在31座支承破壞震害中,有21座為鋼支座破壞,10座為橡膠支座破壞,這表明在地震區(qū)采用橡膠支座比鋼支座更為適宜(近年來的理論研究也表明橡膠支座比鋼支座抗震性能好)。震害調(diào)查還表明落梁震害與支承破壞密切相關(guān),因振動(dòng)導(dǎo)致的落梁多因支承破壞所致,在本文統(tǒng)計(jì)的31座支承破壞橋梁中,有14座發(fā)生了落梁。3.2防止落梁震害的措施支座在橋梁中不太引起重視,但功能卻十分重要。在地震活動(dòng)中,主梁的水平慣性力通過支承連接構(gòu)件傳遞給橋墩,當(dāng)支座破壞后,墩-梁間的位移失去控制,當(dāng)墩梁間的相對(duì)位移大于主梁擱置長(zhǎng)度后,主梁將從橋墩脫落從而導(dǎo)致落梁。從支座構(gòu)造入手來防止落梁的發(fā)生也是相當(dāng)困難的,重要的是當(dāng)支座破壞后,主梁的位移不能失去控制,并應(yīng)將墩-梁間的相對(duì)位移控制在橋墩的主梁擱置長(zhǎng)度范圍內(nèi),避免落梁的出現(xiàn)。從上述分析可看出,防止落梁應(yīng)從限制主梁位移和主梁擱置長(zhǎng)度入手。事實(shí)上,美國(guó)、日本就是通過上述2個(gè)途徑來防止落梁震害的。日本對(duì)于落梁震害的防范較為重視,在設(shè)計(jì)中將支座、主梁擱置長(zhǎng)度、主梁限位裝置作為一個(gè)統(tǒng)一的防落梁系統(tǒng)來考慮。美國(guó)在洛馬普里埃塔地震后,CalTrans規(guī)范又改進(jìn)了主梁擱置長(zhǎng)度的計(jì)算方法,提高了主梁擱置長(zhǎng)度的要求。4橋梁損壞或損壞4.1墩底破壞機(jī)理從橋墩的損傷位置來看,墩底截面出現(xiàn)震害的可能性遠(yuǎn)較其他截面大得多,表1統(tǒng)計(jì)的39個(gè)橋墩震害中,有29個(gè)損傷位置在墩底,大量的震害表明對(duì)于簡(jiǎn)支梁橋,墩底截面是抗震的控制截面。究其原因,以獨(dú)柱墩為例,其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為墩頂作用有一集中質(zhì)量的懸臂結(jié)構(gòu),其1階彎曲振型對(duì)振動(dòng)內(nèi)力的貢獻(xiàn)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),因此在墩底截面剪力和彎矩均為最大。圖3為墩底破壞的典型實(shí)例。需指出的是,若鋼筋構(gòu)造不當(dāng),墩柱中部也有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷,圖4即為一例,該橋墩柱鋼筋截?cái)噙^早,且柱中部箍筋間距過大。4.2鋼筋混凝土橋墩抗彎性能不足綜合文獻(xiàn)的資料,橋墩損傷可分為:①?gòu)澢?在表1的39座橋的橋墩震害中,有32座橋?yàn)殇摻罨炷翗蚨?其中僅5座出現(xiàn)了彎曲破壞,主要現(xiàn)象是損傷基本沿橋墩的橫截面發(fā)展,斜向發(fā)展不明顯,較嚴(yán)重者有縱筋拉斷(2座)或屈曲(3座),事后的研究表明,抗彎鋼筋配置不足或橫向鋼筋對(duì)縱向鋼筋的約束不足時(shí),易出現(xiàn)此類破壞。②剪切型,在32座采用鋼筋混凝土橋墩的橋梁中,有22座均為這一類破壞,其現(xiàn)象是橋墩的損傷面基本沿45°方向發(fā)展,箍筋甚至屈服,圖3即為此類損傷。阪神地震后的調(diào)查表明,此類損傷在高度較矮的墩中較為普遍出現(xiàn),文獻(xiàn)的分析認(rèn)為,橋墩的抗剪強(qiáng)度不足,是出現(xiàn)這類震害的根本原因。③彎剪型,在地震作用下,對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的墩彎矩的影響更大一些,即會(huì)發(fā)生彎剪型橋墩損傷。4.3關(guān)于獨(dú)柱墩的結(jié)構(gòu)表1的橋墩震害中,橋墩形式有鋼筋混凝土雙柱墩、鋼筋混凝土獨(dú)柱墩、圬工圓端矩形墩、鋼獨(dú)柱墩,除鋼橋墩在我國(guó)使用較少外,其余3種均為常用的橋墩形式,進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)可知,在39個(gè)橋墩震害實(shí)例中,獨(dú)柱墩有16個(gè)實(shí)例,雖然統(tǒng)計(jì)尚不能完全確定獨(dú)柱墩不是一種良好的抗震結(jié)構(gòu),但獨(dú)柱墩在阪神地震中的重大損失卻是不爭(zhēng)的事實(shí)。此外從唐山、海城地震中圬工橋墩遭到嚴(yán)重?fù)p失的情況看,圬工橋墩是一種抗震性能較差的橋墩,集集地震中桶頭橋的破壞,再次證明了這一點(diǎn)。就上部結(jié)構(gòu)的形式而言,在收集到的39個(gè)震害實(shí)例中,上部結(jié)構(gòu)的形式有:混凝土T梁、混凝土空心板、混凝土小箱梁、鋼梁,基本上包括了簡(jiǎn)支橋梁可采用的上部結(jié)構(gòu)形式。而減少上部結(jié)構(gòu)重量,能有效減少橋墩的地震響應(yīng)。4.4對(duì)橋墩震害在8度以上的地區(qū)的分類在收集的39個(gè)實(shí)例中,只有1個(gè)實(shí)例出現(xiàn)在地震烈度為6度的地區(qū),在7度地區(qū)也僅有2例,且均非破壞性損傷,其余36個(gè)實(shí)例均出現(xiàn)在8度及其以上的區(qū)域,尤其是破壞性損傷均出現(xiàn)在8度以上地區(qū),因此對(duì)于橋墩震害在8度以上地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)加以防范。4.5關(guān)于松裂損傷的工橋墩(1)理論分析和大量的震害現(xiàn)象均表明,墩底截面是在地震荷載作用下的危險(xiǎn)截面。從破壞形式分析中還可看出,箍筋在鋼筋混凝土橋墩的作用相當(dāng)重要,發(fā)生剪切損傷的橋梁和3座因縱筋壓曲而損傷的橋梁中,其直接原因均是箍筋配置不足。事實(shí)上,在美、日、歐的抗震規(guī)范中,均把箍筋作為受力鋼筋來對(duì)待,而且對(duì)箍筋構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定;我國(guó)規(guī)范僅規(guī)定了箍筋的構(gòu)造和最小含箍率。(2)出現(xiàn)損傷獨(dú)柱墩橋梁較其他橋墩形式明顯要多,震害統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在高烈度地區(qū)采用獨(dú)柱墩應(yīng)進(jìn)行詳盡的分析,對(duì)于圬工橋墩應(yīng)持慎重態(tài)度。(3)橋墩震害在8度以上地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)加以防范。5基本地震地基震害是由于地基的位移導(dǎo)致橋墩發(fā)生水平剛體位移、豎直剛體位移、剛體轉(zhuǎn)動(dòng),而導(dǎo)致的震害。5.1結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)性震害在地基震害中,橋墩、上部結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)多種多樣,在橋墩可能表現(xiàn)為:①墩距(或橋梁跨徑)增長(zhǎng)或縮短(圖5);②橋墩標(biāo)高增加或沉降,如集集地震中的校栗埔橋、石岡鄉(xiāng)豐勢(shì)橋;③橋墩傾斜(圖6)。在上部結(jié)構(gòu)可能表現(xiàn)為:①主梁相對(duì)于橋墩發(fā)生位移或落梁(圖5、6);②橋面傾斜。無論是哪一種表現(xiàn)形式,主梁均未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,這一點(diǎn)從圖6中可清晰地看出。對(duì)于橋墩,除圬工橋墩可能倒塌外,在鋼筋混凝土橋墩中未發(fā)生破壞現(xiàn)象,甚至裂縫也較為少見。地基震害屬于非結(jié)構(gòu)性震害,這是地基震害的一個(gè)顯著特點(diǎn)。地基震害是簡(jiǎn)支體系橋梁的多發(fā)震害之一,與橋墩震害相比,地基震害的危害性更大。一方面,地基震害較易出現(xiàn)全橋倒塌的慘劇,且通過防落梁措施也難以防止全橋倒塌,例如圖5中公路跨線橋,地基水平位移達(dá)3m,垂直位移達(dá)0.6m,這樣的大位移是任何一種防落梁措施都難以奏效的,在另一方面,地基震害較橋墩震害更不易修復(fù)。5.2橋位的選擇導(dǎo)致簡(jiǎn)支橋梁地基震害的原因主要有地表斷裂、砂土液化等。對(duì)于地表斷裂,做好地質(zhì)勘察工作,在選擇橋位時(shí)盡量避開斷層地段,是避免其不利影響的惟一選擇。集集地震中,在碑豐橋附近,斷層錯(cuò)動(dòng)使溪水上游隆起5～6m,并使該橋跨越的河流形成瀑布,如此大的地形驟變是人為措施難以抵御的。目前,中、美、日等國(guó)都采取在選擇橋位時(shí)避繞不良地質(zhì)區(qū)(如大型斷層、嚴(yán)重液化區(qū))的措施。6城市結(jié)構(gòu)特征對(duì)橋梁抗震性能的基針對(duì)簡(jiǎn)支橋梁在震害中的破壞情況,各國(guó)對(duì)簡(jiǎn)支體系的橋梁采用了大量的減隔震技術(shù)。從國(guó)外采用減隔震技術(shù)建造的橋梁的震害表現(xiàn)看,在近幾年的幾次大地震中抗震性能表現(xiàn)很好。如在日本1995年阪神大地震中,采用鉛芯橡膠支座隔震的6座橋梁抗震性能表現(xiàn)極佳。土耳其Bolu高架橋在1年內(nèi)盡管遭受了2次大地震,尤其是第2次大地震遠(yuǎn)高于該橋的設(shè)計(jì)地震水平,但該橋地震中沒有發(fā)生落梁,震后維修也僅需更換支座。減隔震橋梁在地震中的良好表現(xiàn)促進(jìn)了這類橋梁在實(shí)際工程中的應(yīng)用。7影響墩柱抗震性能的因素通過對(duì)策分析,在西部高烈度地震區(qū),簡(jiǎn)支體系橋梁在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)從以下幾點(diǎn)考慮:(1)在高地震烈度區(qū),墩柱箍筋是重要的受力鋼筋,其配置須按抗剪計(jì)算確定,其構(gòu)造也是影響墩柱抗震性能