简支体系桥梁震害分析与抗震设计

简支体系桥梁震害分析与抗震设计

1桥梁震害的原因分析在西部高烈度地震的山区，简条桥梁由于其清晰的压力、良好的使用性和低工程成本而被广泛使用。然而，交通部的《道路安全设计规范》（jtj04-89）相对简单，因此存在一些不足。因此，对简化道路交叉口桥梁的抗疲劳动设计更为紧迫。通过震害调查分析桥梁震害的原因是建立正确的抗震设计方法、采取有效的抗震措施最直接的科学依据。虽然国内外积累了较为丰富的桥梁震害资料,但均未针对简支梁进行专门整理,对中小跨度简支梁在地震中的破坏形式、破坏原因在认识上还较为模糊,在我国还存在对国外震害资料及抗震措施借鉴不足的问题。依据文献的震害调查资料,对简支桥梁震害进行整理、分析,归纳出简支体系桥的主要破坏方式,并对破坏原因进行了分析,同时对照国外所进行的补强措施及规范修订情况,阐述中国现行桥梁抗震规范的不足,对西部地震区简支桥梁抗震设计提出了建议。2桥梁地基震害简支桥梁是受力最明确、结构体系最简单的桥梁结构,其主要构件包括:主梁、桥墩、桥台、支座、伸缩缝共5类,这些构件或设施都可能发生震害,此外,桥梁地基也可能出现震害。本文收集了国内6次、国外4次大地震的桥梁震害资料,共包含111座简支桥梁的震害,对其进行了分类统计,结果见表1。由表1可知,简支体系桥梁可能出现的6类震害,在震害调查中均有发现,但表中出现前3类震害的桥梁总数达100座,占收集的震害桥梁总数的90%,显然,这3类震害是最为常见的震害。从震害的危害性来说,这3类震害极易出现全桥倒塌的惨剧,因此是设计中应重点防范的震害。3受损和死亡3.1链杆支护破坏综合文献的调查结果,在中、美、日等国的多个地震中,支座的破坏现象均较为普遍。钢支座的主要震害现象有:①支座与桥墩的连接构造如锚固螺栓等破坏,连接构造可能被剪断也可能被拔除。②铰支座(固定支座)破坏并翻倒,图1所示的京山线K194+048永定新河桥以及唐山地震中京山线滦河大桥等。③链杆支座(活动支座)破坏,采用摆轴支座的滦河大桥(位于9度区),在1976年唐山地震中,其摆轴支座大部分倾倒,桥梁遭到严重破坏。板式橡胶支座的主要震害现象有:①滑板橡胶支座不能约束主梁。图2所示为阪神地震中西宫港弧桥因滑板橡胶支座不能约束主梁的位移而导致落梁的情况。②板式橡胶支座因剪切变形过大而翻滚,这一现象在日本阪神地震及唐山地震中多次出现。对表1的支座震害进行进一步的分类统计可知,在31座支承破坏震害中,有21座为钢支座破坏,10座为橡胶支座破坏,这表明在地震区采用橡胶支座比钢支座更为适宜(近年来的理论研究也表明橡胶支座比钢支座抗震性能好)。震害调查还表明落梁震害与支承破坏密切相关,因振动导致的落梁多因支承破坏所致,在本文统计的31座支承破坏桥梁中,有14座发生了落梁。3.2防止落梁震害的措施支座在桥梁中不太引起重视,但功能却十分重要。在地震活动中,主梁的水平惯性力通过支承连接构件传递给桥墩,当支座破坏后,墩-梁间的位移失去控制,当墩梁间的相对位移大于主梁搁置长度后,主梁将从桥墩脱落从而导致落梁。从支座构造入手来防止落梁的发生也是相当困难的,重要的是当支座破坏后,主梁的位移不能失去控制,并应将墩-梁间的相对位移控制在桥墩的主梁搁置长度范围内,避免落梁的出现。从上述分析可看出,防止落梁应从限制主梁位移和主梁搁置长度入手。事实上,美国、日本就是通过上述2个途径来防止落梁震害的。日本对于落梁震害的防范较为重视,在设计中将支座、主梁搁置长度、主梁限位装置作为一个统一的防落梁系统来考虑。美国在洛马普里埃塔地震后,CalTrans规范又改进了主梁搁置长度的计算方法,提高了主梁搁置长度的要求。4桥梁损坏或损坏4.1墩底破坏机理从桥墩的损伤位置来看,墩底截面出现震害的可能性远较其他截面大得多,表1统计的39个桥墩震害中,有29个损伤位置在墩底,大量的震害表明对于简支梁桥,墩底截面是抗震的控制截面。究其原因,以独柱墩为例,其结构动力学模型可简化为墩顶作用有一集中质量的悬臂结构,其1阶弯曲振型对振动内力的贡献占绝对优势,因此在墩底截面剪力和弯矩均为最大。图3为墩底破坏的典型实例。需指出的是,若钢筋构造不当,墩柱中部也有可能出现严重的损伤,图4即为一例,该桥墩柱钢筋截断过早,且柱中部箍筋间距过大。4.2钢筋混凝土桥墩抗弯性能不足综合文献的资料,桥墩损伤可分为:①弯曲型,在表1的39座桥的桥墩震害中,有32座桥为钢筋混凝土桥墩,其中仅5座出现了弯曲破坏,主要现象是损伤基本沿桥墩的横截面发展,斜向发展不明显,较严重者有纵筋拉断(2座)或屈曲(3座),事后的研究表明,抗弯钢筋配置不足或横向钢筋对纵向钢筋的约束不足时,易出现此类破坏。②剪切型,在32座采用钢筋混凝土桥墩的桥梁中,有22座均为这一类破坏,其现象是桥墩的损伤面基本沿45°方向发展,箍筋甚至屈服,图3即为此类损伤。阪神地震后的调查表明,此类损伤在高度较矮的墩中较为普遍出现,文献的分析认为,桥墩的抗剪强度不足,是出现这类震害的根本原因。③弯剪型,在地震作用下,对于长细比较大的墩弯矩的影响更大一些,即会发生弯剪型桥墩损伤。4.3关于独柱墩的结构表1的桥墩震害中,桥墩形式有钢筋混凝土双柱墩、钢筋混凝土独柱墩、圬工圆端矩形墩、钢独柱墩,除钢桥墩在我国使用较少外,其余3种均为常用的桥墩形式,进一步的统计可知,在39个桥墩震害实例中,独柱墩有16个实例,虽然统计尚不能完全确定独柱墩不是一种良好的抗震结构,但独柱墩在阪神地震中的重大损失却是不争的事实。此外从唐山、海城地震中圬工桥墩遭到严重损失的情况看,圬工桥墩是一种抗震性能较差的桥墩,集集地震中桶头桥的破坏,再次证明了这一点。就上部结构的形式而言,在收集到的39个震害实例中,上部结构的形式有:混凝土T梁、混凝土空心板、混凝土小箱梁、钢梁,基本上包括了简支桥梁可采用的上部结构形式。而减少上部结构重量,能有效减少桥墩的地震响应。4.4对桥墩震害在8度以上的地区的分类在收集的39个实例中,只有1个实例出现在地震烈度为6度的地区,在7度地区也仅有2例,且均非破坏性损伤,其余36个实例均出现在8度及其以上的区域,尤其是破坏性损伤均出现在8度以上地区,因此对于桥墩震害在8度以上地区应重点加以防范。4.5关于松裂损伤的工桥墩(1)理论分析和大量的震害现象均表明,墩底截面是在地震荷载作用下的危险截面。从破坏形式分析中还可看出,箍筋在钢筋混凝土桥墩的作用相当重要,发生剪切损伤的桥梁和3座因纵筋压曲而损伤的桥梁中,其直接原因均是箍筋配置不足。事实上,在美、日、欧的抗震规范中,均把箍筋作为受力钢筋来对待,而且对箍筋构造细节进行了详细的规定;我国规范仅规定了箍筋的构造和最小含箍率。(2)出现损伤独柱墩桥梁较其他桥墩形式明显要多,震害统计结果表明,在高烈度地区采用独柱墩应进行详尽的分析,对于圬工桥墩应持慎重态度。(3)桥墩震害在8度以上地区应重点加以防范。5基本地震地基震害是由于地基的位移导致桥墩发生水平刚体位移、竖直刚体位移、刚体转动,而导致的震害。5.1结构非结构性震害在地基震害中,桥墩、上部结构的表现多种多样,在桥墩可能表现为:①墩距(或桥梁跨径)增长或缩短(图5);②桥墩标高增加或沉降,如集集地震中的校栗埔桥、石冈乡丰势桥;③桥墩倾斜(图6)。在上部结构可能表现为:①主梁相对于桥墩发生位移或落梁(图5、6);②桥面倾斜。无论是哪一种表现形式,主梁均未发生结构性破坏,这一点从图6中可清晰地看出。对于桥墩,除圬工桥墩可能倒塌外,在钢筋混凝土桥墩中未发生破坏现象,甚至裂缝也较为少见。地基震害属于非结构性震害,这是地基震害的一个显著特点。地基震害是简支体系桥梁的多发震害之一,与桥墩震害相比,地基震害的危害性更大。一方面,地基震害较易出现全桥倒塌的惨剧,且通过防落梁措施也难以防止全桥倒塌,例如图5中公路跨线桥,地基水平位移达3m,垂直位移达0.6m,这样的大位移是任何一种防落梁措施都难以奏效的,在另一方面,地基震害较桥墩震害更不易修复。5.2桥位的选择导致简支桥梁地基震害的原因主要有地表断裂、砂土液化等。对于地表断裂,做好地质勘察工作,在选择桥位时尽量避开断层地段,是避免其不利影响的惟一选择。集集地震中,在碑丰桥附近,断层错动使溪水上游隆起5～6m,并使该桥跨越的河流形成瀑布,如此大的地形骤变是人为措施难以抵御的。目前,中、美、日等国都采取在选择桥位时避绕不良地质区(如大型断层、严重液化区)的措施。6城市结构特征对桥梁抗震性能的基针对简支桥梁在震害中的破坏情况,各国对简支体系的桥梁采用了大量的减隔震技术。从国外采用减隔震技术建造的桥梁的震害表现看,在近几年的几次大地震中抗震性能表现很好。如在日本1995年阪神大地震中,采用铅芯橡胶支座隔震的6座桥梁抗震性能表现极佳。土耳其Bolu高架桥在1年内尽管遭受了2次大地震,尤其是第2次大地震远高于该桥的设计地震水平,但该桥地震中没有发生落梁,震后维修也仅需更换支座。减隔震桥梁在地震中的良好表现促进了这类桥梁在实际工程中的应用。7影响墩柱抗震性能的因素通过对策分析,在西部高烈度地震区,简支体系桥梁在抗震设计中应从以下几点考虑:(1)在高地震烈度区,墩柱箍筋是重要的受力钢筋,其配置须按抗剪计算确定,其构造也是影响墩柱抗震性能