橋梁抗震文獻(xiàn)綜述

1、橋梁抗震研究摘要: 文章從研究橋梁震害的角度出發(fā), 通過分析橋梁主要震害形式和震害原因,并闡述了現(xiàn)在常用的抗震設(shè)計方法,還提出了在橋梁抗震設(shè)計中應(yīng)遵循的一些設(shè)計思想和設(shè)計原則,從而提出了新的技術(shù)。關(guān)鍵詞: 橋梁震害;抗震設(shè)計;抗震措施；設(shè)計原則;橋梁是生命線工程的重要組成部分,是交通運(yùn)輸?shù)臉屑~工程,在抗震救災(zāi)中處于極其重要的地位。因此,如何提高橋梁的抗震能力,使橋梁在地震時能起到安全疏散、避難的作用,地震后確?？拐鹁葹?zāi)重建家園的交通需要,是橋梁工程中的重要研究課題。橋梁同其他建筑物一樣,如果不進(jìn)行正確的抗震設(shè)計,在地震時將產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。目前,在橋梁抗震研究方面處于領(lǐng)先水平的是美國和日本。二十

2、多年來他們做了許多開創(chuàng)性的工作,例如橋梁全橋模型的多臺振動臺模擬地震試驗,橋梁上下部結(jié)構(gòu)相互作用力學(xué)模型,非線性地震反應(yīng)分析方法等,并將所取得的成果應(yīng)用于工程實際,制定出橋梁的抗震設(shè)計規(guī)范。此外,新西蘭在研究利用延性抗震和減震隔建支座方面也做出了突出的成績,并投入了工程實用。 雖然我國開展橋梁結(jié)構(gòu)抗震研究工作比較晚,直到1976年唐山地震后才得以重視,但由于橋梁研究工作者的艱苦努力,十多年來所取得的科研成果還是相當(dāng)豐富的。先后進(jìn)行了梁橋、拱橋、斜拉橋、曲橋的抗展研究和振動臺模擬地震模型試驗,研究水平從線性范圍發(fā)展到非線性階段;從確定性方法發(fā)展到可靠性理論方法,從確定橋梁的動力特性發(fā)展到實際情況

3、。一 橋梁主要的震害形式1.上部結(jié)構(gòu)震害橋梁上部結(jié)構(gòu)震害按照產(chǎn)生原因的不同, 可以分為結(jié)構(gòu)震害、碰撞震害和位移震害。其中最常見的是移位, 最嚴(yán)重的是落梁。橋梁結(jié)構(gòu)震害在歷次嚴(yán)重的地震中都比較少見。橋梁碰撞震害包括: 橋面伸縮縫位置混凝土裂縫及壓碎變形, 混凝土伸縮縫位置護(hù)欄混凝土撞損, (如汶川地震中磨家互通式跨線橋) T梁橫隔板開裂(觀音巖大橋)及少數(shù)梁端及部分橋臺損傷等震害。橋梁位移震害主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的縱向位移、橫向位移以及扭轉(zhuǎn)。一般來說,設(shè)置伸縮縫的地方比較容易發(fā)生位移震害。汶川地震中, 橋梁位移震害極為普遍, 橫向位移主要出現(xiàn)在斜交橋上, 其相對位移最大達(dá)21cm。如果上部結(jié)構(gòu)的位

4、移超過了墩、臺等的支撐面, 則會發(fā)生更為嚴(yán)重的落梁震害。如汶川地震中位于南壩鎮(zhèn)的溶江橋、遭到毀滅性破壞的小漁洞大橋,及位于都江堰的虹口高原大橋都出現(xiàn)了嚴(yán)重的落梁。2.支座震害支座的破壞形式主要表現(xiàn)為支座的位移, 錨固螺栓拔出、剪斷, 活動支座脫落, 以及支座本身構(gòu)造上的破壞等。在汶川地震中, 橋梁支座損壞較多, 支座存在位移, 剪切變形, 鼓包等震害。這是因為汶川的中小跨度梁橋一般均采用板式橡膠支座, 支座與墩臺和粱體間無連接措施, 地震中出現(xiàn)了梁體與支座間的相對滑動。綿廣高速公路中的龍門E2匝道橋支座移位嚴(yán)重, 支座的剪切破壞更為嚴(yán)重, 部分已經(jīng)卷起。3.下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)震害汶川地震中大量橋梁

5、蓋梁抗震擋塊(剪力鍵)的剪斷或剪裂現(xiàn)象較為普遍。都汶高速公路上的廟子坪大橋的破壞即為明顯例子。橋臺的震害一般比橋墩多, 由于地基土液化, 使橋臺向河心滑移, 下沉,傾斜等; 由于臺背動土壓力, 使橋臺傾斜, 傾倒, 臺身斷裂等。橋墩的震害主要是墩身下沉, 傾斜及傾倒和墩身開裂, 切斷等。映秀鎮(zhèn)的順河橋, 由于橋墩與樁基礎(chǔ)的施工接縫過于整齊, 在水平和豎向地震力作用下, 墩底產(chǎn)生剪切破壞而倒塌。劍門河大橋的墩身出現(xiàn)環(huán)形裂縫等。基礎(chǔ)的震害主要表現(xiàn)是基礎(chǔ)的整體移動傾斜,下沉或樁身或沉井的開裂或斷裂。二 橋梁震害原因分析國內(nèi)外學(xué)者對橋梁震害的調(diào)查研究結(jié)果表明，現(xiàn)在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發(fā)生，而

6、順橋向震害尤其嚴(yán)重，分析其破壞原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面，即：（1）地震位移造成的梁式橋梁上部活動節(jié)點處因蓋梁寬度設(shè)置不足導(dǎo)致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞，而對拱式結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)在拱上建筑和腹拱的破壞，拱圈在拱頂、拱腳產(chǎn)生的破損裂縫，甚至整個隆起變形。（2）由于地基土（如飽和粉細(xì)紗和飽和粘沙土）的地震液化影響，同樣加大了地震位移的影響，進(jìn)而放大了結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，使落梁的可能性增大。當(dāng)采用排架樁基礎(chǔ)時，則使樁基的承載力降低，從而造成與地震反應(yīng)無關(guān)的過大的豎向和橫向位移，而簡支梁橋?qū)Υ擞葹槊黠@。另外，由于地基軟弱，地震時當(dāng)部分地基液化失效后引起了結(jié)構(gòu)物的整體傾斜，下沉等嚴(yán)重變形，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破

7、壞，震害較重。（3）支座破壞，在地震力的作用下，由于支座設(shè)計沒有充分考慮抗震要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，導(dǎo)致了支座發(fā)生過大的位移變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支本身構(gòu)造上的破壞等，并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式的變化，進(jìn)對結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。（4）軟弱的下部結(jié)構(gòu)破壞，即由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部開裂、變形和失效，甚至傾覆，并由此引起全橋的嚴(yán)重破壞。（5）在松軟地基上的橋梁，特別是特大橋、大中橋，地震時往往發(fā)生河岸滑移，使橋臺向河心移動，導(dǎo)致全橋長度的縮短，這類震害

8、是比較嚴(yán)重的。（6）另外橋梁結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在如結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當(dāng)造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成橋臺沉降或斜度過大造成橋墩臺承受過大的扭矩而引起的破壞等多種原因。三 橋梁抗震設(shè)計思想建于高烈度地震區(qū)的橋梁可能遭受地震破壞因此必須考慮抗震設(shè)防抗震設(shè)防的目標(biāo)是小震不壞中震可修大震不倒即按多遇地震設(shè)計地震罕遇地震對橋梁進(jìn)行多水準(zhǔn)設(shè)防一般情況下抗震設(shè)計按地震動峰值加速度和地震動反應(yīng)譜特征周期進(jìn)行抗震驗算并按抗震設(shè)防烈度要求采取相應(yīng)的抗震措施汶川大地震影響范圍大破壞力極強(qiáng)地震發(fā)生后國家地震局交通運(yùn)輸部及時調(diào)整了四川震區(qū)未來年超越概率為的地震動峰值區(qū)劃圖作為災(zāi)后地震評價的規(guī)劃用圖之一 該區(qū)劃圖全面提

9、升了震區(qū)大部分地區(qū)的地震動峰值原有橋梁抗震設(shè)防等級已不適應(yīng)新規(guī)劃圖要求有專家提出修舊如舊的原則即對于既有橋梁不提 高其設(shè)防等級對于新建橋梁按新地震動峰值進(jìn)行抗震設(shè)計提高橋梁抗震設(shè)防等級以使新建橋梁能夠抵抗高烈度的地震破壞四 橋梁抗震設(shè)計原則橋梁抗震設(shè)計在多級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求下對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性變形結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定也要求在多級設(shè)防的原則下進(jìn)行抗震設(shè)計。對橋梁抗震性加以分析研究某類結(jié)構(gòu)不能在地震區(qū)內(nèi)修建 在分析研究有結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上應(yīng)提出更能應(yīng)地震作用的結(jié)構(gòu)型其次對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)不是被動地作為地震作用時結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變位的驗算而是要從設(shè)計角度提高結(jié)的防震能 力要系統(tǒng)考慮結(jié)構(gòu)的行為能力設(shè)計。針對目前大量高架橋

10、倒塌毀壞的教訓(xùn)必須開展對抗震支座各種型式橋墩的延性研究要利用約束混凝土的概念提高它的延性不但對鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土而且對高強(qiáng)土結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)的延性都需展開研究。結(jié)合我國國情研究結(jié)構(gòu)控制的有效型式 加強(qiáng)抗震措施必須采用以柔克剛的設(shè)想來考慮地震區(qū)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的出發(fā)點改變單純的以剛克剛的舊傳統(tǒng)設(shè)防觀點對地裂地面錯動邊坡倒塌沙土液化時橋梁結(jié)構(gòu)如何抗震設(shè)防也應(yīng)該作深入的研究。五 目前常用的抗震設(shè)計方法1.防止落梁的措施當(dāng)長橋高墩時應(yīng)在規(guī)范基礎(chǔ)上給予更多的安全富余 例如：都汶高速公路廟子坪岷江大橋第跨跨徑墩高雖然蓋梁寬度高達(dá) 根據(jù)橋梁抗震細(xì)則要求，含伸縮縫寬度取即可，但該橋還是發(fā)生縱向落梁，所以在設(shè)計中應(yīng)

11、注意 長橋高墩特別是設(shè)置有伸縮縫的相鄰聯(lián)橋墩，不僅要將主梁支承長度取值放大一些，還需要設(shè)置主梁限位裝置 根據(jù)國外規(guī)范以及抗震設(shè)計細(xì)則精神，同時應(yīng)設(shè)置縱向防落梁構(gòu)造，同時應(yīng)注意限位裝置不得有礙于防落梁造的發(fā)揮。2.支座型式和布置方式支座選型長期以來被忽視，常規(guī)梁橋多采用普通橡膠支座汶川地震后的調(diào)查表明普通橡膠支座破壞后加劇了橋梁損傷，建議根據(jù)橋梁設(shè)防要求，選用適用的支座類型 基本地震動峰加速度峰值地區(qū)和以上地區(qū)應(yīng)選擇減震型橡膠支座。支座的布置是否合理至關(guān)重要，汶川百花大橋第 聯(lián)采用一個固定支座，其余墩為活動支座，導(dǎo)致全聯(lián)上部結(jié)構(gòu)水平地震力幾乎完全由固定支座下的橋墩承擔(dān)，該橋墩迅速破壞后，造成聯(lián)坍

12、塌對于連續(xù)梁橋在設(shè)置固定支座后，應(yīng)充分考慮固定座設(shè)置對抗震的不利影響，慎用墩梁固結(jié)方案，應(yīng)注重考慮各墩水平。受力的平均分擔(dān)3.柱式橋墩的合理設(shè)計柱式墩是橋梁設(shè)計中最為常見的結(jié)構(gòu)形式，日本阪神地震中顯示出大量圓形獨柱墩崩潰性破壞，汶川地震相關(guān)資料表明矩形墩要優(yōu)于圓形墩，抗震設(shè)計中應(yīng)首先盡量避免選用抗震性能差的圓形獨柱結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)先選擇矩形截面形式 其次應(yīng)重視橋墩中間的橫梁設(shè)置，橫梁剛度不宜過大，避免導(dǎo)致強(qiáng)梁弱柱效應(yīng)的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)的第一塑性鉸出現(xiàn)在墩柱之上，而不是橫梁上，致使結(jié)構(gòu)失效。4.橋梁的抗震加固技術(shù)對于處于地震多發(fā)區(qū)的已經(jīng)修建的橋梁，應(yīng)根據(jù)更為先進(jìn)的設(shè)計思想對其進(jìn)行抗震性能評價，并結(jié)合評

13、價結(jié)果考慮是否應(yīng)給予相應(yīng)的抗震加固措施。5.維護(hù)結(jié)構(gòu)連接件當(dāng)支承連接件不能承受橋梁上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相對位移時可能會失去相應(yīng)的作用，并導(dǎo)致梁體墜毀而這種情況往往都是由施工單位和養(yǎng)護(hù)單位在橋梁支承連接件的性能質(zhì)量的重視度不夠所引起的 因此，我們應(yīng)定期對橋梁支座 伸縮縫等連接構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)在國內(nèi)目前采用較多的維護(hù)方法有采用擋塊連梁裝置等安裝于伸縮縫等上部接縫處；安裝限位裝置于簡支的相鄰梁間；為耗散作用于結(jié)構(gòu)的地震能量增加耗能裝置及減隔震支座；增加支承面的寬度等措施 此外，在橋梁使用期間定期檢查并維護(hù)支座時應(yīng)隨時清除伸縮縫內(nèi)的雜物。6.加固上部結(jié)構(gòu)加固上部結(jié)構(gòu)主要有粘貼鋼板加固法增大截面加固法和構(gòu)體系轉(zhuǎn)

14、換法粘貼鋼板加固法主要在梁板橋的主梁底部出現(xiàn)嚴(yán)重橫向裂縫時使用在粘貼鋼板鋼筋或纖維時應(yīng)特別注意粘貼位置，即粘貼位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離中性軸加固區(qū)同時還應(yīng)注意黏結(jié)劑的性能以保證錨固的可靠性；增加截面加固法主要是增設(shè)鋼筋在橋梁下部以提高主梁的抗彎能力 同時，如果增設(shè)的鋼筋較多可考慮將主梁下部的截面面積增大以避免超筋構(gòu)件的出現(xiàn)另外，應(yīng)設(shè)置錨固筋傳力銷剪力鍵等可靠的連接物在新老結(jié)構(gòu)材料之間以避免增加的重量破壞原截面；結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換法主要指將可承受負(fù)彎矩的鋼筋設(shè)置在簡支梁的梁端，使相鄰兩主梁連起來就可形成多跨連續(xù)梁，進(jìn)而達(dá)到提高橋梁承載力的目的。7.加固下部結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)的加固主要有柱罩填充墻連梁加固支座加固帽梁橋

15、臺和加固基礎(chǔ)等措施 填充墻具有提高柱的橫向能力和限制柱的橫向位移等特點，可用于多柱橋梁；連梁可提高混凝土排架的橫向能力連梁可置于排架底部標(biāo)高處替代墩帽，也可置于地面標(biāo)高和排架底部標(biāo)高之間的某個位置以調(diào)整特定排架的橫向剛度；一直以來支座都是地震中受損最容易的部位，而為加固支座現(xiàn)在一般都采用隔震支座加固橋梁的方式，此外還有用鉛芯橡膠支座或者纜索與彈性支座配套使用代替彈性支座的方法；帽梁加固方法最常見的是給現(xiàn)有帽梁增設(shè)墊板；橋臺加固主要有兩種方法，一是支座延長裝置，二是用木材 混凝土或鋼筋填塞夾縫，后者采用較多；通?；A(chǔ)加固的方法是增設(shè)覆蓋層均勻增加基礎(chǔ)增加接觸面積或?qū)⒒A(chǔ)錨固于土中等。六 新技術(shù)的探討通過對目前所采用的抗震措施，主要采用的是以隔震支座來達(dá)到消能減震目的。通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)地面運(yùn)動周期Ag=(0.5:1.5)秒，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)自震周期As=(1:2)秒，因此在發(fā)生地震時，通常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)物共震破壞,為了防止共震，減小結(jié)構(gòu)物剛度，增大柔度，實現(xiàn)以柔克剛增大結(jié)構(gòu)物周期。基于這種思想，構(gòu)想在橋梁基礎(chǔ)換填土，和在橋梁承臺處采用超高彈性體措施。參考文獻(xiàn)：1范立礎(chǔ),橋梁延性抗震設(shè)計.北京：人民交通出版社.2OO12宋恒揚(yáng), 汶川大地震橋梁震害對山區(qū)既有簡支梁橋抗震加固的啟示 J. 西南公路, 2008