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钢筋混凝土梁桥震害及抗震设计中的几点思考
RSS 打印 复制链接 发布时间:2018-05-09 09:21:06

   摘 要:文章结合桥梁震害实际情况,分析了桥梁震害的多种成因,同时有的放矢的提出了桥梁设计中的改善措施。 

   关键词:梁桥;震害;成因;延性设计;改善 

   在近年发生的几次特大地震灾害中,公路、桥梁、隧道等交通基础设施往往遭到严重地震破坏,其中桥梁损毁往往最为严重。 

   众所周知,陆路交通是抗震救灾的生命线,与居民住宅等建筑物的破坏不同,地震灾害中直接发生在桥梁上的人员伤亡一般并不多,但是由于交通生命线损毁、中断而造成的经济损失和人员伤亡等“次生灾害”则巨大而不可估量。 

   陆路交通全部中断致使救援人员、尤其是大型救援机械设备不能及时到位,为后续抢险救灾工作造成了困难和阻碍,同时严重影响到灾后重建和灾区正常生产生活。此外,由于公路交通设施在地震中受灾特别严重,特别是受桥梁等控制性工程和沿线地质灾害的影响,损毁大中型桥梁的修复重建往往耗时较长、具有相当难度,成为道路恢复通车的控制性工程。 

   1995年阪神地震后,日本一位专家曾指出,阪神地震之所以造成前所未有的惨重经济损失,除震级大、预报不力外,关键是生命线系统的脆弱性加重了灾情;地震后桥梁严重破坏造成公路中断,交通处于“死亡”状态。因此,我们必须关注交通生命线的地震安全问题。 

  钢筋混凝土梁桥震害 

  上部结构坠毁、撞击破坏 

   上部结构通常十分坚固,被设计成桥梁体系中一个较强的环节,在地震期间基本上保持弹性。地震作用下桥跨在纵向位移过大、超过支座长度,使得落梁坠毁成为常见的桥梁破坏形式。 

   通常桥梁上部结构落梁坠毁和撞击损坏,是由地面运动引发下部结构的摇动和不同桥墩柱的运动相异,或是由于相邻桥段伸缩缝处相互撞击引起的。 

   梁体坠毁下落以顺桥向占绝大多数,梁在顺桥向发生坠落时,时常与桥墩发生撞击,给下部结构带来巨大破坏。 

  支座、伸缩缝等支撑连接部件破坏移位 

   桥梁支座、伸缩缝和挂梁悬挂节点等支撑连接部件是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的环节。 

   桥梁伸缩缝能解决桥梁混凝土温度变化、及荷载作用等产生的涨缩作用,满足桥梁变形要求的同时,也保证行车顺畅,但其存在同时造成结构的不规则、不均一,地震力作用导致上部结构的位移,都能造成伸缩缝的变形和破坏。 

   支座能将上部结构荷载传递给下部、同时能在一定程度上减小桥梁结构的地震反应,但地震作用下桥梁支座的橡胶体分层破坏和移位破坏都是不可恢复的严重桥梁震害。 

  下部结构破坏 

   钢筋混凝土墩柱的大量损坏是地震中桥梁破坏的最主要形式,可以说桥梁的震害主要是墩柱的破坏,如桥墩弯曲延性、抗弯能力不足造成的桥墩变形、?;げ惆涞绕苹?,桥墩剪切或弯剪等脆性断裂破坏甚至完全倒塌等。 

   桥台设计一般具有很好的稳定性,地震中桥台基本上未发现发生较大整体位移的情况,,这在很大程度上保证了中、小长度桥梁的抗震性能。但桥台胸墙强度不足、破坏导致落梁的情况必须引起高度重视。 

   此外,墩台挡块在地震中破坏普遍,并且破坏后上部梁体发生横向移位乃至落梁,后果较为严重。 

  桥梁震害原因分析 

   地震危害性即工程结构的地震反应和破坏程度,包含地震危险性及结构易损性两个方面,其中地震危险性是地震从发生、传播过程到场地条件的影响所造成的桥址环境危险程度,结构易损性则是从桥梁选址、桥梁设计到桥梁施工一系列建设行为所形成的桥梁自身固有特性。 

   地震中桥梁破坏的原因具体可归纳如下: 

   不良地质条件 

   震害统计结果表明,在好的和比较好的地基条件下,桥梁震害程度明显较轻,但在不良地基上,即使在相对低烈度条件下,震害往往较为严重??杉?,桥梁震害程度不仅取决于地震烈度,很大程度上还取决于桥址地基条件。 

   在强烈地震下,地形地貌发生剧烈的变化,如地裂、断层等导致桥梁结构的破坏;地基发生砂土液化、地基失效、桥梁墩台基础发生较大沉降或不均匀沉降等均可造成桥梁破坏。 

   桥墩设计和构造上的缺陷 

   桥墩基础种类的不同对于桥墩的震害率和震害程度有着重要的影响,一般来说,桩基础优于浅埋扩大基础。墩体构造和结构形式不同,其抗震能力也有很大差异,横向双墩优于横向单墩,实体桥墩优于薄壁空心墩。 

   桥墩设计和构造仅考虑了结构静态的受力,而对结构的变形能力和耗能能力没有进行充分考虑,导致墩柱在强烈地震作用下,往往因为弯曲延性不足和塑形铰区抗剪强度不足而发生弯剪破坏或剪切破坏。 

   桥梁结构内力或变位超限 

   在地震力作用下,桥梁结构某一部分产生的内力或变位超过结构构造和材料强度所能承受的限度,从而发生不同程度的破坏,如盖梁和塑形铰节点的大量破坏、桥梁墩台横向挡块的破坏、桥台胸墙的剪切破坏等。 

   曲线桥梁本身动力特性较为复杂,受双向地震力作用时,上部结构的重心偏离桥墩附加弯矩作用明显,特别是在竖向地震和双向水平地震联合作用下,曲线桥梁的反应不对称,其倒塌破坏可能性大大增加。 

  桥梁抗震优化设计 

   构造设计优先 

   抗震构造设计问题是保证桥梁达到“中震可修,大震不倒”的设防目标的关键,恰恰也是当前规范较薄弱、而且工程师往往忽略的关键。由于实际地震动强度往往超过设计预期的地震动水准,所以,要保证桥梁的抗震性能,强度已不足以依靠,重要的是结构的构造设计细节,如使塑性铰区混凝土形成约束混凝土的纵筋和箍筋构造,防止纵筋锚固失效的构造,防止落梁的构造等等。 

   桥梁选址及形式选用审慎严谨 

   桥梁桥址场地及地质条件必须能够确保墩台的整体稳定性,在漫滩、山(河)谷修建桥梁时必须重视砂土液化问题,必要时可以对不良土质进行适当的土层加固措施。 

   曲线梁桥很多情况下对线型仍具有很好的适应性,但应视情况尽量选择小桥长、小跨度、 曲线连续梁、双柱墩带盖梁的结构形式。尽量避免采用连续曲线刚构形式,特别是当曲率半径较小时,因地震时桥墩承受复杂的弯、剪、扭共同作用,其破坏风险仍很大。 

   减隔震措施选用恰当高效 

   现行《抗震设计细则》为延长桥梁结构周期、消耗地震能量、降低结构对震害的响应,对桥梁减隔震设计进行了专项规定。 

   其中减震指采取措施降低地震作用下支座等构件的连接刚度,减震技术的基本思想就是将地震振动频率带与建筑物固有震动频率带分隔开,吸收地震震动的能量,减弱地震对结构的影响,目前分为积层橡胶技术和减震器两大类。 

   隔震指地震过程中通过增加结构弹性和能量耗散来减少作用于结构的地震力,如支座等构件发生有效阻尼耗能,最大程度减少结构对地震能量的吸收,增加弹性使得结构的自振周期增大,可明显减少地震力。通过调整隔震器的阻尼和能量耗散性能,可以将桥梁上、下部结构间的相对位移控制在设计允许范围内。目前,最理想、最常见的隔震装置就是隔震支座。 

   提高桥墩延性能力 

   从破坏的桥墩、盖梁来看,直接剪切破坏或形成弯曲塑性铰后的弯剪破坏现象较为多见,主要原因是对构件抗剪强度计算重视不够,设计桥墩横向箍筋和纵向钢筋的锚固应注意满足规范要求,如箍筋在端部完成135°弯钩并伸入混凝土核心,桥墩中的箍筋间距和体积配筋率也应满足规范要求。桥墩局部塑形铰区体积配筋率的提高,对桥梁整体造价影响甚微,但是意味着结构整体延性的提高。 

   此外,应重视系梁结构的设计及施工,系梁在抗震中起到的作用不容忽视,系梁施工时候应和桥墩或桩基一次性浇注,并有足够数量和长度的钢筋连接锚固,加强结构整体性。 

   墩台挡块适当加强 

   设计中应适当加大挡块厚度及挡块主筋直径,其配筋必须注意具备足够锚固长度,竖向深入到(盖梁)内部。且在挡块与梁体之间设缓冲橡胶垫块。此外,还需注意加强挡块和盖梁的连接处构造,如考虑在挡块和盖梁连接处设置合适的梗腋加强连接处的刚度。 

   桥面连续多跨长简支梁桥设计时,因桥台对其地震纵向位移约束较弱,应特别重视纵向防落梁设计,如在每一跨(盖梁)处均设置防落梁的纵向挡块,对特长大桥梁还可在中部伸缩缝处设置纵向允许位移较大的约束平台,以防止因碰撞等造成纵向位移累加,照成桥梁坠毁。 

   以上构造措施对保证桥梁在不可预期的“ 大震” 下的抗震能力非常重要,同时其造价相对桥梁总投资影响几乎可以忽略,设计中应予以充分考虑。 

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