工程结构抗震 第二章2

1、第二章 桥梁震害 桥梁是生命线工程中的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。震害影响及原因地震对桥梁结构造成的破坏现象，系统地揭示出结构设计和施工中的缺陷，甚至是最微小的缺陷。因此，调查研究过去发生的破坏性地震中桥梁的震害现象，对于改进桥梁设计和施工方法都极具价值。对桥梁震害现象开展调查研究，从中总结和吸取经验教训，是桥梁抗震理论得以发展的一个重要手段。可以说，桥梁抗震设计的历史，也是人类对桥梁震害现象认识的历史。每一次大地震爆发后，人

2、们总是可以从中发现大量的人为工程的破坏；地震造成的结构灾害，反过来又促进了对地震现象和工程抗震的研究工作。另一方面，工程界也从结构的破坏中，获取关于结构地震反应的极其宝贵的资料，从而对抗震设计理论和设计方法进行检讨、修正和发展，使结构抗震设计水平不断地得到提高。引起桥梁震害的主要原因：所发生的地震强度超过了抗震设防标准桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变形桥梁结构设计、施工错误桥梁结构本身抗震能力不足从结构抗震设计的观点出发，震害归为两类：地基失效引起的破坏（静力作用）。结构强烈振动引起的破坏（动力作用）。从历次破坏性地震中，通过调查总结发现，桥梁的震害现象可以归纳为以下几类： 上部结

3、构坠落 支承连接件破坏 桥台、桥墩破坏 基础破坏 其他震害现象桥梁震害及类型桥梁的组成、分类和结构体系1. 基本组成五大部件五小部件五大部件(从传递荷载功能划分) 桥跨结构（上部结构） 直接承担作用荷载桥墩、桥台、支座（下部结构） 将上部结构的荷载传递到基础 防止路堤滑塌 传力、保证桥梁的自由变形基础 将桥梁结构的荷载传递到地基桥梁上、下部结构组成部分示意图五小部件桥面铺装(行车道铺装)排水防水系统栏杆(或防撞护栏)伸缩缝灯光照明桥面部分一般构造图桥面铺装伸缩缝 名词术语低水位：枯水季节的最低水位。高水位：洪水季节的最高水位。设计水位：按规定设计洪水频率算得的水位。通航水位：能保持船舶正常航行

4、的水位。水 位净跨径: 梁桥：设计水位上相邻两个桥墩（或墩台）之间净距 拱桥：两拱脚截面最低点之间的水平距离总跨径： 各孔净跨径的总和，反映桥下泄洪能力计算跨径: 梁桥：相邻两个支座中心之间的距离 拱桥：相邻两拱脚截面形心点之间水平距离标准跨径: 梁桥：相邻桥墩中心线或墩中心线至桥台台背前缘之间距离 拱桥：即净跨径桥梁全长: 两桥台侧墙或八字墙尾端间的距离 （无桥台的桥梁为桥面系长度）跨 径高度桥梁高度（桥高）：桥面与低水位或桥下线路路面间高差桥下净空高度：设计洪水位或通航水位至桥跨结构下缘距离建筑高度：行车路面至桥跨结构最下缘距离净矢高：拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点连线的垂 直距离

5、计算矢高：拱顶截面形心至相邻拱脚截面形心连线的垂直距离矢跨比（拱矢度）：拱圈/肋的计算矢高与计算跨径之比桥梁的分类1）按受力体系划分梁桥拱桥刚构桥（刚架桥）悬索桥（吊桥）组合体系桥 梁桥南京长江大桥一孔128m，三联九孔 各160m正桥总长1576m公、铁两用桥开封黄河大桥桥全长4475m108孔，其中77孔为跨径50m 预应力T梁，余为平顺桥预应力混凝土连续弯梁桥山西平顺县3孔 283528m1990年建成梁桥小结主要承重构件：梁、板受力特点（竖向力作用）： 主梁受弯矩、剪力，以弯为主。 墩台只受竖向力，不产生水平反力。材料特点：抗弯能力强结构特点：简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥拱桥 丹河大桥

6、山西晋城石拱桥主跨146m桥全长413.17m贵州花鱼洞桥桁架组合拱桥主跨150m1991年建成钢拱桥拱桥小结主要承重构件：拱圈、拱肋受力特点（竖向力作用）： 墩台受竖向力、弯矩及水平推力， 拱圈主要受压，也受弯矩和剪力。材料特点：抗压能力强结构特点：跨越能力大，造型美观，地基要求高， 施工较难刚构桥（刚架桥）汉江桥陕西安康主跨176m全长542m1982年建成刚构桥小结主要承重构件：刚架结构受力特点（竖向力作用）： 柱脚有水平反力、竖直反力和弯矩， 梁部受弯为主，介于梁、拱之间。材料特点：钢筋混凝土、预应力钢混结构特点：跨中建筑高度可较小，适合采用悬臂法施工，但刚结点施工困难，易于开裂。悬索

7、桥（吊桥）西藏达孜桥 缆索直接锚于山体，是较少见的独塔悬索桥。香港青马大桥 1997年建成通车，桥身总长度2200m，主跨长度1377m，离海面高62m，缆绳的直径1.1m，长16000km，创造了世界最长的公铁两用吊桥纪录。金门大桥跨径1280m1937年建成，位于美国旧金山保持世界记录27年亨伯尔桥Humber Bridge跨径1410m1981年建成世界记录保持到1997年江阴长江大桥跨径1385m1999年建成明石海峡大桥建成于1998年，世界第一跨悬索桥，主跨1991m。抗风、抗震设计世界先进水平，建桥期间承受7.2级地震。悬索桥受力图示悬索桥小结主要承重构件：缆索受力特点（竖向力作

8、用）： 缆索只受拉力， 锚碇受竖向力及水平推力。材料特点：高强钢丝束结构特点：自重轻，跨越力强，刚度差，变形及振动大斜拉桥南京长江二桥、主跨628m、2001年建成多多罗大桥建于1998年，日本塔高224m主跨长890m苏通大桥 主跨跨径达到1088米 斜拉桥小结主要承重构件：主梁和拉索受力特点（竖向力作用）： 斜拉索只受拉力 主梁受弯材料特点：高强钢丝束结构特点：梁内弯矩、梁体尺寸和重量大大减少其它组合体系桥上部结构自身因直接的地震动力效应而毁坏的现象极为少见，但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从梁体下落

9、的形式看，有顺桥向的、也有横桥向的和扭转滑移的，但统计数字表明，顺桥向的落梁占绝大多数,约占全部桥梁落梁总数的80-90%。梁端撞击桥墩侧壁，给下部结构带来很大的破坏，从而有可能造成更大的震害。2.1 上部结构的震害1）上部结构自身震害，如钢结构的屈曲破坏。屈曲就是失稳,指一个构件还没有达到屈服时就丧失承载力。整体失稳： 对于一个长细的压杆，当荷载还没有达到钢结构的屈服承载力时，压杆就进入不稳定状态，从而倒塌。局部失稳： 比如压一个薄壁的圆筒，很容易看到整个筒没事，但是局部的钢板鼓出来或者凹进去，这算作局部失稳,或者叫做局部屈曲。2）上部结构的移位震害桥梁上部结构的位移震害在破坏性地震中极为常

10、见，这种震害表现为桥梁上部结构的纵向位移、横向位移以及扭转位移。一般来说，设置伸缩缝的地方比较容易发生位移震害。在破坏性地震中，最为常见的是桥梁上部结构的纵向位移和落梁震害。落梁梁与墩（台）位移过大梁的支撑长度不够支座破坏梁间碰撞落 梁落 梁上部结构的移位震害3）上部结构的碰撞震害如果相邻结构的间距过小，在地震中就有可能会发生碰撞，产生非常大的碰撞力，从而使结构受到破坏。桥梁在地震中的碰撞，比较典型的有：相邻跨上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰撞，以及相邻桥梁间的碰撞。 2.2 支承连接件破坏： 桥梁支座、伸缩缝等支承连接件历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节，在历次破坏性地震

11、中，支承连接件的震害现象都较普遍。支座破坏传递的上部结构惯性力 支座的设计强度桥梁支座是桥梁抗震的薄弱部位，震害极为普遍。破坏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。伸缩缝破坏在地震中，如果支承连接件不能承受上、下部结构的相对位移，支承连接件就可能失效。由于支承连接件失效，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移，如果没有受到其它约束，上部结构就可能与下部结构脱开，并导致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力，下部结构也将遭受严重的破坏。例如，在1975 年海城地震和1976 年唐山地震中，就有不少桥梁因支承连接件破坏引起落梁并最终导致结构倒塌的例子。1989 年美国

12、洛马普里埃塔地震中旧金山奥克兰海湾大桥一跨落梁。支承连接件失效的原因，主要是设计低估了相邻梁跨之间的相对位移。一般来说，桥梁相邻跨之间在未来随机发生的地震作用下的相对位移难于准确确定，因此支承连接件破坏有时是很难避免的；有证据表明，支承连接件破坏有时对整个结构反而有利。在实际设计中，需要着重考虑的是如何避免因支承连接件失效而导致的落梁现象。在这方面的实际作法是： 一，规范规定支承连接部位的支承面宽度必须满足 一定要求； 二，规定在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置。城市桥梁抗震设计规范规定：直线简支粱梁端至墩台帽或盖梁边缘的最小距离a（cm）不小于70+0.5L，其中L为梁的计算跨径；而斜桥和曲

13、线桥梁的最小支承宽度则还应分别考虑斜交角和圆心角。城市桥梁抗震设计规范规定：过渡墩及桥台处的支座垫石不宜高于10cm，且顺桥向宜与墩台最边缘平齐。约束装置的设计要点是：在正常使用条件下，要有足够的变形冗余度，以满足温度、制动力等作用的变形需要，而在地震作用下，结构的相对变形较大时，又要有足够的约束能力防止落梁震害的发生。下部结构失效，主要指桥墩和桥台失效。如果下部结构不能抵抗其自身的惯性力和由支座传递的上部结构的地震力，墩和台就会开裂甚至折断。在早期，桥墩往往不具备延性能力，因此一旦抗力不足，就会导致桥墩脆性破坏并很快失去承载能力。由于墩台失效，其支承的上部结构也将遭受严重的破坏。2.3 下部

14、结构的震害桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏； 素混凝土也会因施工缝而产生断裂。震害的进一步发展，会导致断裂面上下的墩身移位，最终使断裂面以上的墩身翻落而酿成极大的震害。钢筋混凝土桥墩大量遭受严重破坏，是近期桥梁震害的一个特点。桥墩遭受破坏的内因，主要源于设计和构造两方面的缺陷，包括： 设计抗弯强度不足 设计抗剪强度不足 构造缺陷地震引起的桥墩破坏钢筋混凝土墩柱破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏。另外，墩柱的基脚破坏也是一种可能的破坏形式，弯曲破坏是延性的，多表现为开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等，并会产生很大的塑性变形。而剪切破坏是塑性的，伴随着强度和刚度

15、的急剧下降。一般比较高柔的桥墩多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩，多为剪切破坏；介于两者之间的为混合型。1）弯曲破坏开裂、水平弯曲裂缝 受拉钢筋屈服 混凝土保护层脱落、塑性铰范围扩大 钢筋压屈（或拉断）,内部混凝土压碎、崩裂 由于约束箍筋的不足，以及纵向主筋的焊接接头破坏引起的。1995年阪神地震中墩柱倒塌在地震中，墩柱根部发生严重的保护层混凝土剥落，而且箍筋所包围的核心混凝土也已被压碎。这一震害主要是由于约束箍筋的配置不足引起的1995年日本阪神地震中发生的墩柱弯曲破坏集鹿大桥为150m单塔单索面斜拉桥，塔梁固结体系。地震时，该桥正在施工中，在塔梁连接处，塔柱一侧的预应力混凝土箱梁没完全施工完。地

16、震中，斜拉桥的塔柱在塔梁连接处发生严重开裂，并伴随保护层混凝土的剥落1999年台湾集集地震中集鹿大桥的震害过去由于对桥墩地震破坏的认识不足，纵向钢筋往往在墩底搭接或焊接，桥墩的主筋通常未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效而弯曲破坏。还有一种情况，是设计地震力取值偏低造成的。由于设计地震力取值偏低，当与其它静力荷载效应组合时，计算弯矩图数值偏低，而且形状也不对，据此确定的桥墩反弯点位置偏差也很大，使所配纵向钢筋在桥墩中过早切断，造成桥墩在中间位置发生弯剪破坏。箍筋不足是桥墩遭受严重破坏的主要原因。2）剪切破坏（弯剪破坏）开裂、水平弯曲裂缝 斜向剪切裂缝 箍筋屈服、剪切裂缝增长 脆性裂切破坏最

17、为惨重的墩柱剪切破坏发生在1995年日本的阪神地震。在地震中，阪神高速线在神户市内的高架桥共18个独柱墩剪断,长500m左右的梁侧向倾倒。模拟分析结果表明，独柱墩剪切破坏的主要原因是纵向钢筋过早切断（有1/3纵筋在1/5墩高处被切断）和约束箍筋不足；独柱墩剪切破坏导致重量较大的梁体侧倾，造成桥梁倒塌阪神地震中独柱墩的倒塌由于纵向钢筋的连接失败和约束箍筋不足引起的阪神地震中矮墩的剪切毁坏1971年美国圣费南多地震中，州际高速公路5号和10号之间立交桥结构发生的墩柱剪切破坏。图中可见，墩柱的两端没有弯曲破坏的迹象，而剪切破坏却发生在墩柱中部。显然，是由于墩柱的剪切强度低于弯曲强度造成的。墩柱的中部

18、，往往横向约束钢筋（箍筋）配置较少，因而剪切强度相对较低圣费南多地震中墩柱的剪切破坏一座下穿式立交桥的两种墩柱发生的脆性剪切破坏。喇叭型墩在墩柱截面突变处发生剪切破坏，而柱型墩则在墩柱中部发生剪切破坏台湾集集地震中实体矮墩的剪切破坏设计抗剪强度不足过去设计的桥墩，其横向钢筋直径通常较小，间距也往往在3050cm 之间，显然不足于抵抗强烈地震动引起的横向剪力作用。构造缺陷构造缺陷主要包括：横向约束箍筋数量不足和间距过大，因而不足于约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲；纵向钢筋在墩底搭接或焊接；纵筋在桥墩中过早切断；纵向钢筋和横向箍筋锚固长度不足；箍筋端部没有作成弯钩等。3）墩柱的基脚破坏 墩柱基脚的

19、震害相当少见，但一旦出现，则可能导致墩梁倒塌的严重后果。 一般是由于墩底主钢筋的构造处理不当，造成主钢筋的锚固失败引起。在1971年美国的圣费南多地震中，就发生了一例。图中，22根螺纹钢筋从桩基础中拔出，导致桥墩倒塌。很显然，是由于墩底主钢筋的构造处理不当，造成主钢筋的锚固失败引起的。可见，保证墩柱和下部基础的整体作用是相当重要的圣费南多地震中墩柱基脚主筋拔出4）框架墩的震害城市高架桥中常见的框架墩，在地震中有不少震害的例子框架墩的震害主要表现为：盖梁的破坏，墩柱的破坏，以及节点的破坏。盖梁的破坏形式主要有：剪切强度不足（当地震力和重力叠加时）引起的剪切破坏；盖梁负弯矩钢筋的过早截断引起的弯曲

20、破坏；以及盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏。墩柱的破坏形式与其它墩柱类似。而节点的破坏主要是剪切破坏。剪切破坏是脆性的，伴随着强度和刚度的急剧下降。美国洛马普里埃塔地震中框架节点的剪切破坏5）桥台震害在历年的地震中，桥台的震害较为常见。除了地基丧失承载力（如砂土液化）等引起的桥台滑移外，桥台的震害主要表现为台身与上部结构（如梁）的碰撞破坏，以及桥台向后倾斜。台湾集集地震中桥台的震害2.4 基础的震害地震引起地基的液化，使承载力下降，引起基础下沉。进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的

21、作用而沿液化层水平滑移或转动。桥梁基础因周围地基崩塌通常最易发生在饱和松砂、软粘土以及粉砂土层层面呈倾斜的场合，或者有填土等情况。地基失效引起的桥梁结构破坏，在国外建于20 世纪70 年代以前的桥梁的震害现象中占有很大的比例。例如，在1964 年美国阿拉斯加地震、1968 年日本十胜冲地震、1970 年新西兰马丹地震。我国1966 年邢台地震、1975 年海城地震和1976 年唐山地震等等中，多数桥梁的破坏均源自于此。地基液化地基失效引起的桥梁结构破坏，有时是人力所不能避免的，因此在桥梁选址时就应该重视这个问题，并设法加以避免。比如，在桥梁选址时，应尽量避开活动断层及其邻近地段，避开危及桥梁结

22、构安全、有可能滑坡或崩塌地段，避开有可能液化的软弱土层地段。如果无法避开上述地段，则应考虑对地基进行处理或采用深基基础。基础破坏：扩大基础自身的震害现象极少发现，然而有时因不良的地质条件，也会出现沉降、滑移等；桩基础的承台由于体积、强度和刚度都很大，因此也极少发生破坏，但桩基的破坏现象则时有发现，尤其是对深桩基础。桩基震害有极大的隐蔽性。许多桩基的震害是通过上部结构的震害体现出来的。但是，有时上部结构震害轻微，而开挖基础却发现桩基已产生严重损坏，甚至发生断裂破坏。而且修复的难度相当大。2.5 桥梁震害的教训及对策 由于地震是一种随机性很强的偶然作业，如果要求结构在强震作业下仍保持不发生损伤，显

23、然是不经济的、也是不合理的，因此对桥梁结构的震害也应有一个科学的认识。 桥梁结构的震害多种多样，但每一种震害发生以后对整体结构的影响是大不相同的，同时每一种震害的发生机理也是不同的。 几十年的桥梁震害、以及桥梁抗震设计的实践告诉我们：合理的结构型式和较强的抗震能力可以大大减轻甚至避免震害的产生。一、支撑连接部件失效在地震中，如果支承连接部件失效，桥梁结构就会丧失整体性，原来的传力途径失效，计算简图不再明确。更为严重的是，部结构可能与下部结构脱开，导致梁体坠毁。而落梁的强烈冲击力又可能使下部结构遭受严重的破坏。支承连接部件失效一般始于支座破坏。固定支座破坏主要表现为支座与梁的连接构件，支座部件，

24、以及墩台上的锚固构件破坏，是强度不足引起的。而活动支座的破坏主要是支座位移超出了允许范围（脱落），是由于支座的位移能力不足引起的。支座破坏之后，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移。在设有伸缩装置的部位，如果设计低估了这一相对位移，在墩、台顶，以及挂梁支承牛腿处设置的支承面太窄，又没有可靠的约束装置，就有可能产生落梁。在随机发生的地震作用下，桥梁梁、墩之间的相对位移是很难准确预测的，因此要避免落梁震害比较困难。在实际设计中，各国的做法是： 一，规范规定支承连接部位的支承面最小宽度； 二，规定在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置二 碰撞引起的破坏 在地震中，碰撞产生的撞击力非常大，往往会使桥梁结构受到破坏。相邻桥梁间的碰撞通过设置较大的间距可以避免。相邻跨上部结构之间，以及上部结构与桥台之间的碰撞却很难避免，因为在地震这种随机荷载作用