汶川512地震中桥梁的损伤分析

汶川512地震中桥梁的损伤分析

20世纪90年代以来，世界多类破坏地震发生，造成巨大的经济损失。抗灾工艺部门认真总结和反思目前的抗洪工程理论。特别是5.12汶川地震后，在受地震影响的区域内获得了有关桥梁结构地震反应的有价值数据，对抗洪工程理论和方法进行了验证、修改和发展，提高了抗洪工程水平。识别桥桥的典型破坏，预测桥梁发生的位置，分析损坏的原因，并对其进行分类。损伤通常由复杂和相互作用的因素引起，具有不确定性和变异性。然而，许多损坏是重复的，从过去的地震损失中可以清楚地认识到。通过充分认识桥梁的典型易受攻击类型，我们可以深入了解现有和新建桥梁的结构行为，识别潜在的脆弱性，并将其分为主要和次要损伤。然而，在许多情况下，很难区分主要损坏和次要损伤。这是因为桥梁的几何结构很复杂，如果它们倒塌，就很难重复破坏序列。在这里，我们主要讨论桥梁破坏的主要因素。1日本兵库县南部地震期间的桥梁结构很有可能会受到桥梁临近断层和场地的影响.这两个因素取决于地面摇晃和地面变形的强度,并影响着这些效应沿桥梁长度的变化.1995年日本兵库县南部(Hyogo-KenNanbu)(神户Kobe)地震期间,重大的损伤和倒塌发生在大板(Osaka)海湾内或邻近的高架桥上,若干类型场地条件促成了桥梁的地震损伤,桥梁建造在砂-砾石台地上(冲积沉积物),这将场地放大基岩运动的作用.很多场地易遭受液化和横向扩展,由此引起了上部结构的落梁和下部结构的永久变形使正好位于断层断裂上方的场地,激起了具有较高的竖向和水平地面运动加速度及具有大脉冲速度的地面运动(图1、图2).2钢筋混凝土渠道墙体的巷道结构桥梁状态的变化对桥梁的地震作用有很大的影响.无论是在建造时期还是在使用时期,结构状态的变化对桥梁的结构行为产生重大的影响,根据北岭(Northridge)地震提供的几个图示例子(图3)表明桥柱受到钢筋混凝土渠道墙壁的约束,该墙减小了柱的有效长度,却增加了柱的切力,而将非线性反应从约束较强的的区域向上移位到一个横向钢筋较少的延性不足的区域,这种破坏表现出桥梁建造时期和使用时期应仔细查看.3复杂异形结构的桥梁桥梁结构的理想化抗震设计是将桥梁设计成有规则的外形,这样易于理解和分析,能够促进非弹性能量耗散在大量容易识别的屈服构件中.但是,场地条件和交通量的需求使理想化的桥梁变得不规则,从设计理论上,任何构件或节点都能满足抵抗作用力和变形需要.而在实际中,具有特殊外形的桥梁结构要比其他的形式的桥梁更易受到地震的损伤.复杂的地基和交通运输的要求必须改变路基和桥梁的不规则性外,时间的变化和地面运动空间都能使长大桥梁受到影响.地震波由一个桥墩传到另一个桥墩需要时间,在任何一个时刻,不同的桥墩将承受着不同的运动,在常规的桥梁设计中不直接考虑这种复杂行为.例如百花大桥倒塌(图1),可能是这种复杂行为引起了损伤的增加导致了桥梁的倒塌,该桥有着不同的上部结构和下部结构,跨越了不同的地基,其长度在地面运动期间足以使空间和时间变化引起相邻桥墩、梁之间产生很大的相对位移.4桥跨结构的运用桥梁的伸缩缝造成了桥梁的不规则性,甚至导致桥梁灾难性的损伤.为了减轻桥梁的老化和温度变化引起的与体积变化相关的应力,在桥梁中设置了这种伸缩装置.地震时地面的摇动,或者由地震引起的地面瞬时变形或永久变形,都能导致桥梁的上部结构的剧烈运动,这些剧烈运动会使桥跨结构发生落梁.2008年汶川地震中通往北川途中正在新建的桥梁在地震中简支梁桥梁落梁(图4).斜交桥和它的桥台(或其相邻桥跨)之间的碰撞,能引起桥梁绕一个竖向轴转动.若转动大而支座长度又小,则在桥面的锐角处发生落梁.曲线桥和斜交桥相类似具有不对称的反应,曲线桥损伤的例子(图1).5结构损伤的原因上部结构是按照弹性理论设计的,上部结构往往十分坚固,在地震期间基本上保持弹性.一般而言,桥梁结构的上部损伤不太可能成为桥梁倒塌的主要原因.桥梁结构的损伤通常都集中在支座和桥梁的下部结构,上部结构放置在了弹性材料的垫块、铰支座或摇座上,也可以与下部结构成为一体.在支座和桥梁的下部结构损伤以及倒塌的情况下,可以导致上部结构大范围的损伤和断裂;但是这些损伤和断裂常常是次要的,这些损伤和断裂通常是由桥梁的其他部位的断裂引起的.5.1桥梁碰撞的影响如果相邻结构的间距过小,在地震中就可能会发生碰撞,产生相当大的撞击力,从而使桥梁结构受到损伤(图5).比较典型的主要有:相邻上部结构的碰撞,上部结构与桥台的碰撞以及相邻桥梁间碰撞.不管用什么建筑材料,桥梁都会发生这类损伤.5.2结构体系的位移桥梁上部结构的位移震害在破坏性地震中极为常见,这种震害主要表现为桥梁上部结构的纵向位移、横向位移以及扭转位移(图6).一般而言,设置伸缩缝的地方易于发生位移震害,若有上部结构的位移超出了墩台的支承面,就会发生严重的落梁震害损伤.还有上部结构发生落梁是,若撞击到桥墩,会给下部结构带来很大破坏.同时,桥梁支座和墩台的毁坏也会导致上部结构的坠落.6解释地震中成矿构造的不足支座是桥梁结构的重要部件,也往往是设计中未能充分重视的部件,尤其是桥梁的结构设计与支座的工业设计联系尚显薄弱,支座往往凭经阶选择,缺乏清晰的依据.同时桥梁支座是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节,在历次的破坏性地震中,支座的损伤比较普遍,主要原因是设计时对抗震的要求考虑不足,也包括连接与支挡等构筑措施不足以及支座形式和材料本身的缺陷.其目前比较流行的桥梁结构是由包括支撑在上部钢结构和支承在下部结构上的支座和下部结构组成.支座在地震中失效会引起内力重新分布,使桥梁的上部结构或下部结构可能超载,或二者都超载,支座失效,也可能引起倒塌.在汶川“5·12”地震中有不少支座破坏的例子(图7).支座损伤的主要形式:支座移位、锚固螺栓拔出、剪断,活动支座脱落及支座本身构造上的损伤等.7桥下结构损坏下部结构的严重损伤是引起桥梁倒塌,且在震后难以修复使用的主要原因.7.1曲损伤.桥梁墩柱的损伤是很重要桥梁结构中普遍采用的是钢筋混凝土墩柱,损伤的形式分为:弯曲损伤和剪切损伤.弯曲损伤是延性的,产生很大的塑性变形.剪切损伤是脆性破坏.然而桥梁墩柱的基脚损伤也是一种破坏的形式.(1)墩柱的弯曲损伤.桥梁墩柱的弯曲损伤非常常见,在历次的大型地震中都不少,究其原因主要是约束箍筋配置不足,纵向钢筋的搭接或焊接不牢等引起的墩柱的延性能力的不足.213国道白花镇百花大桥墩柱弯曲损伤(图8).(2)墩柱的剪切损伤.桥梁墩柱的剪切损伤较常见,由于剪切损伤是脆性的,会造成墩柱以及上部结构的倒塌,其损伤较为严重(图9).(3)墩柱基脚的损伤.桥梁墩柱基脚的损伤较为少见,但是一旦出现,则可能导致墩梁倒塌的严重后果.213国道白花镇百花大桥墩柱基脚的损伤(图10)显然,墩底主筋的构造处理不当,箍筋的数量不足,导致基脚损害.可见,保证墩柱和下部基础的整体作用是相当的关键.7.2盖梁损伤.墩柱损伤.框架墩的损伤主要出现在城市高架桥中,其损伤主要表现为:盖梁的损伤,墩柱的损伤和节点的损伤.盖梁的损伤形式主要有:剪切损伤、弯曲损伤以及盖梁钢筋的锚固长度不够而引起的损伤.节点的损伤主要是剪切损伤.7.3桥台的落梁失效机理桥台处发生失效的类型,不同桥梁各有不同.基本类型变化很大(扩大基础、桩基、竖井),而且土的性质也很重要的.尤其在地震期间如果图被液化,则更为重要.由于后墙、翼墙、基础和桩与周围土的相互作用,使所在位置更加复杂(图11).大多数支座式桥台中,纵向位移不受限制,因为上部结构和桥台背墙的接触面处,有接缝.这种构造是有吸引力的,因为它减小了温度和收缩位移在上部结构中引起的力.这样的桥台最重要的是弱点是落梁,当上部结构和桥台支座之间有大的相对位移时,就会发生落梁.桥台的落梁失效的常常归因于桥台的位移或旋转,一般是地基土液化和横向扩展导致的结果.7.4桩基损伤与桩基结构损伤地基失效(如土体滑移和沙土液化)是桥梁基础产生损伤的主要原因扩大基础的损伤一般由地基失效引起,常用桩基础的损伤,除了地基失效这一主要原因外,还有上部结构传下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲损伤,更有桩基设计不当所引起的损伤,如桩基没有深入稳定图层足够长度,桩顶与承台联结构造措施不足等(图12),总之,在软弱地基上,采用桩基础的结构往往比无桩基础的结构具有更好的抗震性能.同时,桩基损伤具有极大的隐蔽性,很多桩基的损伤是通过上部结构的损伤体现出来的.但是有时上部结构的损伤轻微,而在开挖基础时却发现桩基已产生严重损伤,甚至发生断裂.8桥梁损伤产生的原因回顾了地震期间可能发生在桥梁中各种类型的损伤,也为今后灾区破坏桥梁的修复和重建工作提供一些参考.桥梁的损伤对一个地区的经济,可能会带来严重的后果,桥梁在一个地区的交通系统中提供了至关重要的作用.由于地震的损伤依赖于场地条件、地面运动、桥梁结构的外形以及桥梁的细部的构造等,在一些特殊的桥梁中引发的损伤的形式是不同的.合理的结构形式和较强的抗震性能可以大大的减轻甚至避免损伤的产生.桥梁主要损伤产生的主要原因,大致归结为