汶川地震中桥梁典型震害调查分析

汶川地震中桥梁典型震害调查分析

0工区内地震大范围影响2008年5月12日14点。28.00，四川省东龙门山构造带四川省四川附近发生强震。此次地震不仅在震中区附近造成灾难性的破坏,而且在四川、甘肃、陕西造成大范围破坏,其影响波及到全国绝大部分地区。地震造成道路、桥梁和其他城市基础设施的损失,达到总损失的21.9%。汶川地震发生后,交通运输部启动了历史上最大规模的公路交通应急保障行动与应急运力调度、集结,修复疏通道路,援助四川地震灾区。1逆冲推覆构造带有地震记载以来,震中附近200km范围内发生过8次7级以上地震,最大的是1933年四川茂汶北迭溪7.5级地震,烈度达到Ⅹ,加速度达123.3～159.5g。震中区附近的历史地震以主余型和孤立型为主,见图1。汶川大地震与龙门山逆冲推覆构造带紧密相关,该构造带是青藏高原内部巴颜喀喇地块和中国东部华南地块的边界构造带,具有十分复杂的结构和构造。这次强震发生在映秀?北川断裂之上,震级为Mw8.3,其震源机制比较复杂,在震源过程中震源机制随着时间和空间在发生变化(见图2)。在地震的开始阶段表现为以逆冲为主,但后来逐渐转变为以走滑为主。破裂面从震中汶川县开始破裂,并且破裂以3.1km/s的平均速度向北偏东49°方向传播,破裂长度约300km,破裂过程总持续时间近120s。地震的主要能量于前80s内释放,最大错动量达9m,震源深度约10多km。2施策与震害机理近几十年来,国内外在改进桥梁设计方法方面做出了很多努力,但是在近年来发生的几次大地震中,桥梁结构仍然遭到了严重的损害。这表明桥梁的抗震设计理论、设计方法有待进一步地完善。大量的震害资料表明,合理的结构型式和成功的抗震设计,可以大大地减轻甚至避免震害的发生。地震中有些桥梁保持完好,在救灾工作中发挥了重要的作用,因此,应特别重视桥梁的震害调查与震害机理分析,为桥梁抗震设计的发展提供依据。汶川大地震中,上部结构震害较多,主要表现为落梁、移位、局部碰撞,见图3、图4。下部结构存在桥墩折断、钢筋混凝土剥落、系梁开裂、挡块普遍失效、桥台翼墙开裂、倾斜等震害现象,见图5～图8。其中盖梁抗震挡块(剪力键)的剪断或剪裂现象最为普遍,从而导致上部结构发生落梁,说明抗震挡块的合理设计和施工非常重要,今后抗震设计应予以加强。另外,桥梁附属支座移位与变形、伸缩缝张开或挤压、护栏开裂的震害现象也非常普遍。3合路设施不业桥梁作为公路工程上的关键节点,一旦损坏,修复时间长,工程量大,会对灾区救援产生极大的阻碍作用。因此,在桥梁设计时要充分考虑到结构抗震要求,提高桥梁抗震能力,力争做到大震时结构不倒塌,尽量减小对道路交通的不利影响。从延性概念的提出至今,延性抗震设计理论已经发展了近50a。延性抗震设计内容早已被列入国外桥梁抗震设计规范。我国在2008年颁布实施的《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02012008)中增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则的有关规定,增加了延性构造细节设计的有关规定,以期增加初始强度没有明显变化的情况下结构的非弹性变形能力,避免结构在大震中倒塌。在汶川地震中,就出现了许多脆性破坏,致使桥梁失效、倒塌,可见延性设计的重要性。3.1滞回特性的吸收特性延性定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形能力。它包括2个方面的能力:一是承受较大的非弹性变形,同时强度没有明显下降的能力;二是利用滞回特性吸收能量的能力。衡量延性的量化设计指标,一般采用曲率延性系数和位移延性系数,两者之间的关系可以由帕克提出的“等效塑性铰长度”的定义得到。通常,截面的曲率延性系数比相应的墩顶位移延性系数要大。3.2延性结构的破坏准则采用延性概念设计抗震结构,要求在概率意义上必须保证结构具有的延性能力超过预期地震动所能激起的最大非弹性变形(即延性需求)。从理论上讲,延性需求可以通过弹塑性动力分析来获得,这就涉及到非弹性变形问题。而各国规范中给出的是弹性反应谱,这使得工程抗震设计的应用遇到一些困难。各国现行结构抗震设计规范所采用的简化的延性抗震设计是通过确定强度折减系数和采用的结构破坏准则来实现的。延性结构的破坏准则可以归纳为强度破坏准则、变形破坏准则、能量破坏准则、变形和能量双重破坏准则以及基于性能的破坏准则。在各国现行的桥梁抗震设计规范中,基本都直接或间接地采用了变形破坏准则,而基于性能的破坏准则是未来的发展趋势。3.3其他国家的设计原理新西兰学者鲍雷等提出了能力设计原理。在新西兰最先广泛应用能力设计方法,其他国家也先后在各自的结构抗震设计规范中,采纳应用了能力设计原理的一些基本概念。能力设计强调构件之间的安全度差异,通过这种差异,保证结构在强震中延性形式的出现,避免发生脆性破坏。3.4延伸设备的详细设计3.4.1水平连接钢筋混凝土桥墩的延性主要通过桥墩塑性铰区的塑性转动能力获得,采用箍筋约束混凝土的概念设计的桥墩,可以提高结构所需的位移延性。(1)第二、特征参数法桥墩塑性铰区横向钢筋间距:min(1/4bmin,10cm),bmin为最小截面尺寸。螺旋箍筋或圆形箍筋体积配筋率ρs=0.45(AgAc−1)f′cfyhρs=0.45(AgAc-1)f′cfyh或ρs=0.12f′cfyhρs=0.12f′cfyh取较大者。(1)矩形箍筋计算方向最小配箍率ρs=0.30(AgAc−1)f′cfyhρs=0.30(AgAc-1)f′cfyh或ρs=0.12f′cfyhρs=0.12f′cfyh取较大者,(2)式中,Ac是螺旋筋外侧边缘以内的核心面积;Ag是桥墩的毛面积;f′c是给定的混凝土抗压强度;fyh是箍筋或者螺旋筋的屈服强度。(2)钢筋混凝土桥墩加州标准规定桥墩塑性铰区横向钢筋间距为min(1/5bmin,6dbl,20cm),bmin为最小截面尺寸,dbl为纵向钢筋直径。钢筋混凝土桥墩塑性铰区范围内的最低约束箍筋用量的规定,考虑了轴压比的影响。ρs=4×AbD′×sρs=4×AbD′×s,(3)式中,D′外围箍筋中心线围成混凝土截面尺寸。(3)横向钢筋配筋率核心混凝土的螺旋钢筋的体积配筋率计算ρw=4Asp/Dsps。矩形截面横向钢筋配筋率ρw=Asw/sb。桥墩塑性铰区横向钢筋间距取min(6dbl,1/5bmin),bmin为最小截面尺寸,dbl为纵向钢筋直径。(4)配筋直径及含再配筋率原89规范:位于烈度为8度或者8度以上地震区的桥梁,桥墩箍筋加密区段的螺旋箍筋间距不大于10cm,直径不小于8mm;对矩形箍筋,纵桥向和横桥向的体积配筋率均不低于0.3%。现行细则:墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋最大间距不应大于10cm或6ds或b/4,其中ds为纵向钢筋直径,b为墩柱弯曲方向的截面宽度;箍筋直径不应小于10mm。与Caltrans标准相同,最小配箍率考虑了轴压比的影响。对于抗震设防烈度7度、8度地区,圆形、矩形墩柱潜在塑性铰区内加密箍筋的最小体积含箍率分别按公式(4)和公式(5)计算。9度及以上地区应适当增加,以提高其延性能力。圆形截面矩形截面式中,ηk是轴压比;ρt是纵向钢筋配筋率;f′c是混凝土抗压强度标准值;fyh是箍筋抗拉强度设计值。3.4.2锚固定和连接(1)机械接头焊接由于塑性铰区可能出现混凝土表层的脱落,箍筋末端应做成135°弯钩,且伸入到核心混凝土的深度不低于10倍箍筋直径。对于潜在塑性铰区的螺旋钢筋接头必须采用机械接头或焊接。在塑性铰区,纵向钢筋不应搭接。(2)钢筋接头设置要求延性构件无接头区采用以下值的较大者:塑性铰长度和墩的弯距需求超过My的部分。在无接头区内,纵向钢筋、螺旋箍筋和圆形箍筋不允许有接头。无接头区外,延性构件的钢筋接头的设置应满足接头性能要求。能力保护构件的钢筋拼接应满足正常使用阶段的要求。在钢筋应变接近屈服时,能力保护构件的拼接性能应该由正常使用水平提升到极限承载水平。(3)弯钩和搭接长度原则上,在4倍塑性铰长度的范围内,纵向钢筋不应有接头。箍筋围绕纵向钢筋布置,其末端设成弯钩并伸入到桥墩中,箍筋的拼接应该是交错分布的。弯钩形式不同,延伸长度也不同。半圆形弯钩,8倍弯曲钢筋筋直径或12cm;锐角弯钩,10倍弯曲钢筋直径;直角弯钩,12倍弯曲钢筋直径。弯折的角度至少是箍筋直径的2.5倍,这里的箍筋直径指弯折之前的直径。如果箍筋的拼接在矩形截面的拐角的其他部分,一般箍筋的搭接长度应大于40倍箍筋直径。圆形截面中,若采用搭接方式,搭接的长度至少是箍筋直径的40倍。箍筋和拉筋的弯钩都应符合上述要求。(4)横向钢筋搭接搭接仅仅容许在墩高度的中部出现。搭接长度要求不小于60倍钢筋直径,且不小于400mm。搭接要求错落分布,在同一位置的2帘上不出现搭接。在搭接范围内的横向钢筋最大间距不超过100mm,对于加速度系数稍低地区的桥梁则取不超过15mm和最小构件尺寸1/4的较小者。相邻纵筋的焊接和机械连接不允许在同一截面内,且沿墩轴向,相邻钢筋接头的最小距离应不小于600mm。(5)菌筋进入核心混凝土内的长度原89规范:螺旋箍筋接头必须焊接,矩形箍筋应采用135°弯钩,并伸入核心混凝土中。现行细则:在原89规范的基础上,对箍筋伸入核心混凝土内的长度作了规定,即伸入核心混凝土内6ds以上,且加密区箍筋肢距不宜大于25cm。纵向钢筋的锚固和搭接长度应在现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62