桥梁结构震害及抗震设计理念浅议

1、文章编号:1009 6825(201018 0303 02桥梁结构震害及抗震设计理念浅议收稿日期:2010 02 22作者简介:谢华伟(1981 ,男,助理工程师,中交四航局第一工程公司,广东广州 510000雷叙渌(1985 ,女,助理工程师,中交四航局第一工程公司,广东广州 510000谢华伟 雷叙渌摘 要:通过历次地震的震害调查,指出桥梁结构等生命线工程的损坏对救灾行动以及灾后恢复均有极大的影响,总结了桥梁震害的各类情况,对现有的抗震设计理念进行了论述,以期指导桥梁结构抗震设计工作。关键词:桥梁,震害,抗震设计,隔震中图分类号:U 442.55文献标识码:A0 引言地震具有突发性和强破坏

2、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

3、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,

4、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、层为粉质黏土,基本承载力0.15M P a 。该墩位于8度地震区,地震动峰值加速度为0.2g,地震动反应谱特征周期为0.35s 。3.3 基础设计采用一般门式墩结构,在基础的设计上存在以下问题:1按明挖基础设计,3层基础基底出现拉应力,应力重分布后压应力大于容许应力,不能满足设计要求;采用非常规的4层明挖基础可以满足,但是一方面基底至玄武岩下的粉质黏土层距离不到6m,另一方面由于该桥墩的墩柱一个靠近路边,另一个位于道路中间的绿化带中,开挖防护

5、工程量大、破坏路面范围大,且公路在施工期间仍然使用,施工存在较大的安全隐患。2按柱桩基础计算,承台厚2m,桩长一般不宜小于6m,桩底至玄武岩下的粉质黏土层距离不到3m,不能满足设计要求。3按摩擦桩基础计算,承台厚2m,每个柱采用6根1m 桩,桩长47m 才能满足承载力及沉降要求。施工难度大,需要打穿9m 厚玄武岩,且圬工量大。采用盖梁两端设置支座的门式墩结构,由于柱身仅有支座摩阻力产生的弯矩,采用正常的3层明挖基础即可满足设计要求。4 设计需注意的问题1位于地震区时,由于该桥墩承受了两个半孔梁的荷载,所以在盖梁的防落梁设计强度需大于2倍的梁体防落梁设计强度。2桥梁的设计年限为100年,支座的设

6、计年限为20年。当支座需要更换时,两端铰接的门式墩需要将该桥墩上相邻的两孔梁同步顶起,才能更换支座,一端铰接的门式墩更换支座需要采用非常规方法解决。5 结语在今后的铁路设计,小角度切入公路,高架车站的桥墩设计中将更多的采用门式墩或多跨门式墩结构,在合理的位置采用支座铰接,可以更大限度地节约基础圬工,优化设计。参考文献:1 张 伟,徐志强.更换T 梁桥支座的一种施工方法J.山西建筑,2008,34(6:314 315.The application of bearings in gate style piers of railway bridgesDU YanAbstract:T he thes

7、is introduced in details the application o f bearings in gate style pier design of one railway bridge and pointed out the matters should be no ticed in the desig ns,specific ex amples proved that in the designs of gate style piers,the rational application of bear ings in hinging could reach the effe

8、cts of saving foundation masonr y and optimizing the desig ns.Key words:r ailway bridg es,gate style pier,bearing,desig n!303!第36卷第18期2010年6月 山西建筑SHANXI ARCH ITECTURE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

9、(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,

10、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

11、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

12、、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

13、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

14、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。参考文献: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

15、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.Discussion on bridge stru cture earthquake damage and seismic design conceptX IE Hua wei LEI Xu luAbstract:T hr ough all prev ious earthquake damage investig atio n,it pointed out bridge structure life line eng ineering damag e had large influences on disaster relief behav ior and resuming after disaster.Various sit