汶川地震中的桥梁震害调查与分析

汶川地震中的桥梁震害调查与分析

0交通中断,延迟救援时间在5.12汶川地震中，该桥失去了严重的破坏，交通中断，救援时间延长，造成的间接损失难以估计。震后,许多学者、专家及工程技术人员对汶川地震中的桥梁震害开展调查,获得了宝贵的现场资料,并从多个角度分析了震害的原因。1地震灾害的例子1.1大桥90偏转段百花大桥位于岷江右岸,213国道K1009+691.5m处,全长495.55m,最高处约30m,距映秀镇约2km,是都江堰经映秀至汶川公路的重要连接工程,也是震后映秀通往外界的唯一道路。地震发生后,百花大桥90º转弯的三跨连续曲线段(50余m),桥墩间中横梁过于强大,产生强梁弱柱效应,地震作用使结构第一塑性铰出现在桥墩上,导致结构失效,上部结构与桥墩完全垮塌(图1)。其余未垮塌段多处受损,包括开裂、倾斜,部分桥墩甚至出现压碎性破坏(图2)。桥墩所配螺旋箍筋为HRB235级φ8钢筋,间距20cm,配筋率0.06%,远低于《公路工程抗震设计规范》(JTG004—89)和新颁布的《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02—01—2008)中对箍筋配置的相关规定,导致箍筋约束作用不足,且主筋存在同位搭接或搭接长度不足的现象(图3)。除此之外,从垮塌的梁段来看,百花大桥还存在防落长度设计不足的问题(图4)。1.2步骤三:拱拱下斜撑上跨混凝土桥墩破坏小渔洞大桥位于彭州市龙门山镇与小渔洞镇交界处,跨越白水河,是通往银厂沟风景区的唯一通道。全长187m,四跨钢筋混凝土拱桥,震后四跨全部破坏,只剩下中间桥墩直立(图5)。拱脚处及斜撑上部由于巨大的顺桥向推力发生剪切破坏(图6,7)。边跨虽未垮塌,也发生了严重变形,从图8可见原桥上部结构纵向联系较弱,整体性差,且未设任何抗震措施,无疑会在强震中遭到破坏。1.3t梁方面的破坏庙子坪大桥位于都汶高速公路都江堰紫坪铺库区附近,全长1436m,为预应力混凝土连续刚构桥,墩高102.47m,是目前四川省最高的桥梁。主跨箱梁采用直腹板单箱单室结构,支座为板式橡胶支座,主桥下部结构为钢筋混凝土单柱式矩形柔性墩。引桥共19跨,每跨50m,由10片预应力混凝土简支T梁构成。地震时,主桥部分结构完好,抵抗住了地震力作用。引桥部分梁体属简支体系,T梁间未设置止震块,而两端设置的止震块尺寸偏小,强度不足,地震导致其发生破坏(图9),梁端则发生较大的纵向和横向位移,最严重的4#梁段出现落梁(图10)。此外,震区早期修建的桥梁由于工程造价以及沿线石料丰富等因素,大量采用当地的块、片石及卵石。该类构件整体抗震性能差,地震后该类构件均损坏严重,在重力式桥台、圬工拱桥及挡墙等结构中均有明显表现。若在混凝土结构的骨料采用光圆的卵石,骨料与水泥胶结强度较低,在地震作用下,极易破坏。2无防落措施根据调查与相关资料,将汶川地震造成的桥梁破坏初步分为以下几类:(1)强震作用时,上部结构与下部结构间会产生相当大的相对位移,当位移量超过防落长度或防落装置设计极限时,桥梁即会发生落梁。汶川地震中发生落梁的桥梁普遍存在防落长度设计不足,无防落措施或防落措施强度不足的问题。(2)主筋存在同位搭接或搭接长度不足的问题。帽梁与墩柱接头部位钢筋不足,部分存在设计缺陷。(3)墩、柱箍筋间距过大,没能起到约束核心混凝土、防止屈曲的作用,造成墩、柱挠曲强度和韧性不足,容易造成脆性破坏。(4)刚架拱桥拱肋及斜撑尺寸不足,刚度偏小,抵抗剪切破坏的能力较差。圬工拱桥由于采用块、片石和卵石,抗震性能差。3提高主筋混凝土约束汶川地震之前,我国公路桥梁抗震设计的主要依据是《公路工程抗震设计规范》(JTG004—89),该规范制定于1989年,已使用近20年。限于当时条件,对结构地震反应规律的认识水平不足,对于抗震设计细节,如主筋搭接、箍筋配置及防落措施等也无具体规定。针对汶川地震中桥梁的破坏模式,提出以下几个方面的对策以供探讨:(1)强震区桥梁上部结构多采用重量轻的钢结构连续体系,增强整体性、降低自重,减小地震惯性力。(2)充分考虑桥梁的延性设计,加密箍筋间距以保证足够的配箍率,保证对核心混凝土有足够的约束。除了箍筋之外,主筋之间还必须有足够的拉筋,以加强对混凝土的约束作用,主筋越多,拉筋的数量也须增加(图11)。(3)钢筋搭接处是钢筋的不连续点,也是墩、柱相对脆弱的地方,地震时的拉拔作用易造成该部位的断裂(图12)。墩柱的主筋搭接应有足够长度;避免出现同位搭接、搭接长度不足及施工中出现整齐接缝,形成抗剪薄弱面。(4)排架墩间横梁的设置应防止出现现强梁弱柱效应,保证第一塑性铰产生在横梁而不是桥墩上。(5)桥梁支座既承担着上部结构与墩、柱连接且传递受力和变形的重要作用,又是桥梁抗震的薄弱环节,以往的桥梁震害实例中,支座的破坏比较普遍,相邻梁的相互碰撞或梁的纵、横向位移,大多数都是以支座破坏为前导。破坏性地震发生时,支座承受极大的剪力和变形,导致上部结构脱离支座,发生落梁现象。支座的破坏形式主要表现为:支座位移、锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落、支座构造上的破坏等。造成支座普遍破坏的原因,除了支座本身在地震效应中受力复杂外,设计时没有充分考虑抗震要求,连接与支挡构造措施不足,以及支座本身材料、形式上的缺陷也是造成支座破坏的原因。对于强震区桥梁,采用质量优良的隔震支座,将有效降低下部结构韧性需求,提高桥梁的安全性。(6)增加主梁的支承长度,可有效避免上部结构在地震中落梁。同时,设计与施工良好的防落装置也可避免落桥的发生,如增设防落拉杆、增设梁间止震块、强化两侧止震块等。(7)强震区应避免刚架拱桥的采用,该类型的拱桥虽具有结构轻巧、施工简便、经济美观等诸多优点,但拱肋和斜撑尺寸较小,刚度不足,抗震能力较差,而应尽量采用整体性好、断面大的板拱和箱拱。4关于国内地震的发展趋势(1)采用线弹性理论的强度设计原理进行设计的桥梁唯一考虑的因素只有静态的“力”,而没有考虑“变形能力”和“耗能能力”,这就导致钢筋混凝土墩柱在强烈地震动作用下,往往因设计弯曲延性不足或塑性铰区设计抗剪强度不足而弯剪破坏或剪切破坏;细部构造方面的缺陷对桥梁结构抗震性能的不利影响,已被汶川地震及以往震害所反复证明。(2)基于性能的抗震设计是目前地震工程界的研究热点之一。许多国家的抗震设计正在经历根本性的变化,关注的重心由“强度”转向“性能”。要实现基于性能的抗震设计,必须对结构在地震作用下的变形进行有效控制。实际震害和理论分析都表明,地震导致的结构变形是结构破损的主要原因。基于性能的抗震设计必将成为未来发展的方向。(3)台湾在1994年美国Northridge地震和1995年日本阪神地震后就颁布了《桥梁耐震设计规范》,该规范强调新建桥梁的韧性设计和防落梁措施,但缺乏对已建桥梁震害评估及加固补强的重视,同样的教训在随后的台湾921地震和汶川