桥梁震害类型破坏的基本特征和经验教训

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。2.1震害影响及原因虽然桥梁震害现象早有发生，但人类正式记录的第一次桥梁震害却是发生在1906年美国旧金山大地震，在这次地震事件中，人们注意到了一座铁路桥梁的倒塌。在这之后，世界上又发生了多次对桥梁抗震设计影响重大的破坏性地震：如日本1923年关东地震，1948年福井地震；新西兰1929年默奇森地震和1931年内皮尔地震；美国1964年阿拉斯加地震；1971年圣·费尔南多地震；1976年中国唐山大地震；1994年美国北岭地震；1995年日本阪神地震等。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。桥梁震害原因：场地运动引起的结构物振动（地震荷载以惯性力形式施加于结构）。场地相对位移产生的强制变形（支点强制变形的超静内力或过大的相对变位）。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2.2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梁上上、、下下部部结结构构组组成成部部分分示示意意图图五小小部部件件桥面面铺铺装装(行车车道道铺铺装装)排水水防防水水系系统统栏杆杆(或防防撞撞护护栏栏)伸缩缩缝缝灯光光照照明明桥面面部部分分一一般般构构造造图图桥面面铺铺装装伸缩缩缝缝名词词术术语语低水水位位：：枯枯水水季季节节的的最最低低水水位位。。高水水位位：：洪洪水水季季节节的的最最高高水水位位。。设计计水水位位：：按按规规定定设设计计洪洪水水频频率率算算得得的的水水位位。。通航航水水位位：：能能保保持持船船舶舶正正常常航航行行的的水水位位。。水位位净跨跨径径:梁桥桥：：设设计计水水位位上上相相邻邻两两个个桥桥墩墩（（或或墩墩台台））之之间间净净距距拱桥桥：：两两拱拱脚脚截截面面最最低低点点之之间间的的水水平平距距离离总跨跨径径：：各各孔孔净净跨跨径径的的总总和和，，反反映映桥桥下下泄泄洪洪能能力力计算算跨跨径径:梁桥桥：：相相邻邻两两个个支支座座中中心心之之间间的的距距离离拱桥桥：：相相邻邻两两拱拱脚脚截截面面形形心心点点之之间间水水平平距距离离标准准跨跨径径:梁桥桥：：相相邻邻桥桥墩墩中中心心线线或或墩墩中中心心线线至至桥桥台台台台背背前前缘缘之之间间距距离离拱桥桥：：即即净净跨跨径径桥梁梁全全长长:两桥桥台台侧侧墙墙或或八八字字墙墙尾尾端端间间的的距距离离（无无桥桥台台的的桥桥梁梁为为桥桥面面系系长长度度））跨径径高度度桥梁梁高高度度（（桥桥高高））：：桥桥面面与与低低水水位位或或桥桥下下线线路路路路面面间间高高差差桥下下净净空空高高度度：：设设计计洪洪水水位位或或通通航航水水位位至至桥桥跨跨结结构构下下缘缘距距离离建筑筑高高度度：：行行车车路路面面至至桥桥跨跨结结构构最最下下缘缘距距离离净矢矢高高：：拱拱顶顶截截面面下下缘缘至至相相邻邻两两拱拱脚脚截截面面下下缘缘最最低低点点连连线线的的垂垂直距距离离计算算矢矢高高：：拱拱顶顶截截面面形形心心至至相相邻邻拱拱脚脚截截面面形形心心连连线线的的垂垂直直距距离离矢跨跨比比（（拱拱矢矢度度））：：拱拱圈圈/肋的的计计算算矢矢高高与与计计算算跨跨径径之之比比桥梁梁的的分分类类1）按按受受力力体体系系划划分分梁桥桥拱桥桥刚构构桥桥（（刚刚架架桥桥））悬索索桥桥（（吊吊桥桥））组合合体体系系桥桥梁桥南京长江大桥桥一孔128m，三联九孔各160m正桥总长1576m公、铁两用桥桥开封黄河大桥桥桥全长4475m108孔，其中77孔为跨径50m预应力T梁，余为20m公路桥平顺桥预应力混凝土土连续弯梁桥桥山西平顺县3孔28＋35＋28m1990年建成梁桥小结主要承重构件件：梁、板受力特点（竖竖向力作用））：主梁受弯矩、、剪力，以弯弯为主。墩台只受竖向向力，不产生生水平反力。。材料特点：抗抗弯能力强结构特点：简简支梁桥、连连续梁桥、悬悬臂梁桥拱桥丹河大桥山西晋城石拱桥主跨146m桥全长413.17m马鸣溪金沙江江大桥钢筋混凝土箱箱拱桥主跨150m1979年建成贵州花鱼洞桥桥桁架组合拱桥桥主跨150m1991年建成钢拱桥拱桥小结主要承重构件件：拱圈、拱拱肋受力特点（竖竖向力作用））：墩台受竖向力力、弯矩及水水平推力，拱圈主要受压压，也受弯矩矩和剪力。材料特点：抗抗压能力强结构特点：跨跨越能力大，，造型美观，，地基要求高高，施工较难刚构桥（刚架架桥）Schweden桥横跨维也纳多多瑙河跨径55.4mMaas桥荷兰、跨径80.5＋112.5＋80.5m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件：刚架结构构受力特点（竖竖向力作用））：柱脚有水平反反力、竖直反反力和弯矩，，梁部受弯为主主，介于梁、、拱之间。材料特点：钢钢筋混凝土、、预应力钢混混结构特点：跨跨中建筑高度度可较小，适适合采用悬臂臂法施工，但但刚结点施工工困难，易于于开裂。悬索桥（吊桥桥）西藏达孜桥缆索直接锚于于山体，是较较少见的独塔塔悬索桥。香港青马大桥桥1997年建成通车，，桥身总长度度2200m，主跨长度1377m，离海面高62m，缆绳的直径径1.1m，长16000km，创造了世界界最长的公铁铁两用吊桥纪纪录。金门大桥跨径1280m1937年建成，位于于美国旧金山山保持世界记录录27年亨伯尔桥HumberBridge跨径1410m1981年建成世界记录保持持到1997年江阴长江大桥桥跨径1385m1999年建成明石海峡大桥桥建成于1998年，世界第一一跨悬索桥，，主跨1991m。抗风、抗震设设计世界先进进水平，建桥桥期间承受7.2级地震。悬索桥受力图图示悬索桥小结主要承重构件件：缆索受力特点（竖竖向力作用））：缆索只受拉力力，锚碇受竖向力力及水平推力力。材料特点：高高强钢丝束结构特点：自自重轻，跨越越力强，刚度度差，变形及及振动大组合体系桥之之斜拉桥南汊桥南京长江二桥桥、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斜拉桥小结主要承重构件件：主梁和拉拉索受力特点（竖竖向力作用））：斜拉索只受拉拉力主梁受弯材料特点：高高强钢丝束结构特点：梁梁内弯矩、梁梁体尺寸和重重量大大减少少其它组合体系系桥上部结构自身身因直接的地地震动力效应应而毁坏的现现象极为少见，但因支承连接件失失效或下部结构失效效等引起的落梁、主梁的移动、扭扭曲、裂缝等现象，在破破坏性地震中中常有发生，，其中落梁现象象最为严重。。从梁体下落的的形式看，有有顺桥向的、、也有横桥向向的和扭转滑滑移的，但统计计数字表明，，顺桥向的落梁梁占绝大多数,约占全部桥梁落梁总总数的80-90%。梁端撞击桥墩墩侧壁，给下部结构构带来很大的的破坏，从而而有可能造成更大的的震害。2.2.1上部结构的震震害1）上部结构自自身震害，如如钢结构的屈屈曲破坏。屈曲就是失稳,指一个构件还还没有达到屈服服时就丧失承承载力。整体失稳：对于一个长细细的压杆，当当荷载还没有有达到钢结构构的屈服承载载力时，压杆杆就进入不稳稳定状态，从从而倒塌。局部失稳：比如压一个薄薄壁的圆筒，，很容易看到到整个筒没事事，但是局部部的钢板鼓出出来或者凹进进去，这算作作局部失稳,或者叫做局部屈曲。2）上部结构的的移位震害落梁梁与墩（台））位移过大梁的支撑长度度不够支座破坏梁间碰撞落梁落梁上部结构的移移位震害3）上部结构的的碰撞震害下部结构失效效，主要指桥墩和桥台失失效。如果下部结结构不能抵抗其自自身的惯性力力和由支座传递的的上部结构的的地震力，墩和台就会会开裂甚至折折断。在早期，桥墩墩往往不具备备延性能力，因此一旦抗抗力不足，就就会导致桥墩墩脆性破坏并很快失去承承载能力。由于墩台失效效，其支承的的上部结构也将将遭受严重的的破坏。2.2.2下部结构的震震害桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开开始，继而扩展到四周周而造成破坏坏；素混凝土也会会因施工缝而产生断裂。。震害的进一一步发展，会导导致断裂面上下的的墩身移位，最终使断裂面以上的墩墩身翻落而酿酿成极大的震震害。钢筋混凝土桥桥墩大量遭受受严重破坏，是近期桥梁梁震害的一个特特点。桥墩遭遭受破坏的内内因，主要源源于设计和构造造两方面的缺缺陷，包括：：设计抗抗弯强度不足足设计抗抗剪强度不足足构造缺缺陷地震引起的桥桥墩破坏RC桥墩在水平反复荷载载作用下的破坏形式注：：：结构弯弯曲承载能力力：结构剪切承承载能力弯剪破坏、剪剪切破坏由于于结构变性能能力、延性差差，失去承载载力后

易倒倒塌，难以恢恢复，不希望望出现。序号破坏形式破坏机理破坏现象特点1弯曲破坏损伤截面内形成塑性铰从回转变形至损伤破坏有较大变形幅度、弯曲裂缝2弯剪破坏弯曲损伤剪切铰下降剪切破坏变形能力有限脆性破坏弯曲裂缝、剪切裂缝3剪切破坏变形能力更有限脆性破坏斜方向剪切裂缝1）弯曲破坏开裂、水平弯弯曲裂缝受受拉拉钢筋屈服混混凝土保护层脱脱落、塑性铰铰范围扩大钢钢筋筋压屈（或拉断）,内部混凝土压压碎、崩裂设计抗弯强度度不足过去由于对桥桥墩地震破坏坏的认识不足足，纵向钢筋筋往往在墩底底搭接或焊接接，桥墩的主主筋通常未达达到设计强度度就因焊接强度不够够或搭接失效效而弯曲破坏。还有一种情况况，是设计地震力取取值偏低造成的。由于于设计地震力力取值偏低，，当与其它静静力荷载效应应组合时，计计算弯矩图数数值偏低，而而且形状也不不对，据此确确定的桥墩反弯点位位置偏差也很很大，使所配纵向向钢筋在桥墩墩中过早切断断，造成桥墩墩在中间位置置发生弯剪破破坏。2）剪切破坏（（弯剪破坏））开裂、水平弯弯曲裂缝斜斜向剪切裂裂缝箍箍筋屈屈服、剪切裂缝缝增长脆脆性裂切破破坏②设计抗剪强度度不足—过去设计的桥桥墩，其横向向钢筋直径通通常较小，间间距也往往在在30~50cm之间，显然不不足于抵抗强强烈地震动引引起的横向剪剪力作用。③构造缺陷陷—构造缺陷主要要包括：横向向约束箍筋数数量不足和间间距过大，因因而不足于约约束混凝土和和防止纵向受受压钢筋屈曲曲；纵向钢筋筋在墩底搭接接或焊接；纵纵筋在桥墩中中过早切断；；纵向钢筋和和横向箍筋锚锚固长度不足足；箍筋端部部没有作成弯弯钩等。2.2.3支承连接件破破坏：桥梁支座、伸伸缩缝和剪力键等支承连接件件历来被认为是桥梁梁结构体系中中抗震性能比比较薄弱的一个环节，在在历次破坏性性地震中，支承连接件的震害现象都都较普遍。支座破坏传递的上部结结构惯性力支支座的设设计强度桥梁支座是桥桥梁抗震的薄薄弱部位，震震害极为普遍遍。破坏形式式主要表现为为支座锚固螺栓拔出出剪断、活动支座脱落落及支座本身构造上的的破坏。伸缩缝破坏在地震中，如如果支承连接件不不能承受上、、下部结构的的相对位移，支承连接件件就可能失效效。由于支承承连接件失效效，上部结构构和下部结构构之间将产生生更大的相对对位移，如果果没有受到其其它约束，上上部结构就可可能与下部结结构脱开，并并导致梁体坠坠毁。由于落落梁的强烈冲冲击力，下部部结构也将遭遭受严重的破破坏。例如，在1975年海城地震和和1976年唐山地震中中，就有不少少桥梁因支承承连接件破坏坏引起落梁并并最终导致结结构倒塌的例例子。1989年美国洛马·普里埃塔地震震中旧金山—奥克兰海湾大大桥一跨落梁梁。支承连接件失失效的原因，，主要是设计计低估了相邻梁梁跨之间的相相对位移。一般来说，桥桥梁相邻跨之之间在未来随随机发生的地地震作用下的的相对位移难难于准确确定定，因此支承承连接件破坏坏有时是很难难避免的；有证据表明，，支承连接件件破坏有时对对整个结构反反而有利。在实际设计中中，需要着重重考虑的是如何避免因支支承连接件失失效而导致的的落梁现象。日美两国在这这方面的实际际作法是：一，规范规定定支承连接部部位的支承面宽度必必须满足一定要求；二，规定在简简支的相邻梁之间安安装纵向约束束装置。2.2.4基础的震害地震引起地基的液化，使承载力下下降，引起基基础下沉。进进一步引起桥梁墩墩台的沉陷，，多出现在承承载力不很高高的砂质粘土、粘土质砂砂土等地基中中。地基的的液化化使其其剪切强强度大大大降降低，使桥桥梁基基础及及桥台台受静静土压力力和地地震土土压力力的作作用而而沿液液化层层水平平滑移移或转转动。。桥梁基基础因因周围围地基基崩塌塌通常常最易易发生生在饱饱和松松砂、、软粘粘土以及粉粉砂土土层层层面呈呈倾斜斜的场场合，，或者者有填填土等等情况况。地基失失效引起的的桥梁梁结构构破坏坏，在在国外外建于于20世纪70年代以以前的的桥梁梁的震震害现现象中中占有有很大大的比比例。。例如，，在1964年美国国阿拉拉斯加加地震震、1968年日本本十胜胜冲地地震、、1970年新西西兰马马丹地地震。。我国1966年邢台台地震震、1975年海城城地震震和1976年唐山山地震震等等等中，，多数数桥梁梁的破破坏均均源自自于此此。地基液液化地基失失效引引起的的桥梁梁结构构破坏坏，有有时是是人力力所不不能避避免的的，因因此在在桥梁选选址时就应应该重重视这这个问问题，，并设设法加加以避避免。。比如，，在桥桥梁选选址时时，应应尽量量避开活活动断断层及及其邻邻近地地段，避开危及桥桥梁结结构安安全、、有可能能滑坡坡或崩崩塌地地段，避开有可能能液化的的软弱弱土层层地段段。如果无无法避避开上上述地地段，，则应应考虑虑对地基基进行行处理理或采采用深深基基基础。基础破破坏：：扩大基基础自身的的震害害现象象极少少发现现，然然而有有时因因不良良的地地质条条件，，也会会出现现沉降降、滑滑移等等；桩基础础的承承台由于体体积、、强度度和刚刚度都都很大大，因因此也也极少少发生生破坏坏，但但桩基的的破坏坏现象象则时时有发发现，尤其其是对对深桩桩基础础。限限于早早期的的认识识水平平，桩桩基的的破坏坏可能能出现现在桩桩身任任意位位置，，而且且往往往位于于地下下或水水中，，不利利于震震后迅迅速发发现，，而且且修复复的难难度相相当大大。2.3汶川地地震中中的桥桥梁震震害2.3.1百花大大桥震震害百花大大桥，，全长长500米，是是都江江堰经经映秀秀至汶汶川公公路上上的必经之之地，，也是是地震震后重重灾区区映秀秀通往往外界界的唯唯一一一条““生生命通道道”。。汶川地地震后后，有有50多米长长的桥桥面拦拦腰垮垮塌，，用肉肉眼都都能看到几几根桥桥柱已已经移移位，，整座座大桥桥岌岌岌可危危，处处于失失稳的的平衡状态态，余余震将将造成成继续续垮塌塌，保保留成成本太太高，，最终终将其其炸毁。主梁位位移及及横隔隔板破破损桥墩墩墩底塑塑性铰铰破坏坏墩顶位位移、、支座座破坏坏横梁破破坏桥墩破破坏桥墩墩墩体钢钢筋2.3.2紫坪铺铺水库库庙子子坪大大桥庙子坪坪大桥桥为主主跨220米的混混凝土土连续续刚构构桥，，横跨跨紫坪坪铺水水库。引引桥为为50米T梁，其其中一一跨落落梁，，支座座损坏坏严重重，混混凝土土墩、梁梁基本本无裂裂缝，，连续续刚构构桥结结构基基本完完好。。顺、横横桥向向位移移，伸伸缩缝缝破坏坏落梁断断面落梁落梁断断面，，桥面面缝落梁断断面，，挡块块破坏坏2.3.3拱桥震震害该拱桥桥为一一跨河河石拱拱桥，，由于于汶川川地震震的发发生，，使得得该桥桥拱顶顶开裂裂，拱拱脚及及拱身身亦有有裂缝缝。拱顶开开裂拱桥破破坏拱脚裂裂拱顶及及周边边裂拱体裂裂地震时时河床床变形形，导导致跨跨河公公路桥桥梁跨跨塌。。2.4其它地地震震震害地面破破坏：：如地地面裂裂缝、、错动动、塌塌陷、、喷水水冒砂砂等。。山体等等自然然物的的破坏坏，如如山崩崩、滑滑坡等等。海啸，，海底底地震震引起起的巨巨大海海浪冲冲上海海岸，，可造造成沿沿海地地区的破坏坏。火灾由震后后火源源失控控引起起。1923年日本本关东东地震震，东东京市市内227处起火火，33处未能能扑灭灭造成成火灾灾蔓延延，旧旧市区区烧毁毁约50%；横滨滨市烧烧毁80%，死亡10万。2.5强震中桥梁梁破坏的基基本特征和和经验教训训1.日本兵库县县南部地震震（阪神大地地震阪神大大地震，1995.1.17，M7.2）剪切强度不不足配筋过少延延性差不适当的纵纵筋截断实际地震荷荷载设设计地地震荷载（1g—2g）(0.2g—0.4g)延性差倒塌2.台湾集集地地震（1999.9.21M7.6）相对位移地