汶川地震中橋梁典型震害調(diào)查分析

汶川地震中橋梁典型震害調(diào)查分析

0工區(qū)內(nèi)地震大范圍影響2008年5月12日14點。28.00，四川省東龍門山構(gòu)造帶四川省四川附近發(fā)生強震。此次地震不僅在震中區(qū)附近造成災(zāi)難性的破壞,而且在四川、甘肅、陜西造成大范圍破壞,其影響波及到全國絕大部分地區(qū)。地震造成道路、橋梁和其他城市基礎(chǔ)設(shè)施的損失,達到總損失的21.9%。汶川地震發(fā)生后,交通運輸部啟動了歷史上最大規(guī)模的公路交通應(yīng)急保障行動與應(yīng)急運力調(diào)度、集結(jié),修復(fù)疏通道路,援助四川地震災(zāi)區(qū)。1逆沖推覆構(gòu)造帶有地震記載以來,震中附近200km范圍內(nèi)發(fā)生過8次7級以上地震,最大的是1933年四川茂汶北迭溪7.5級地震,烈度達到Ⅹ,加速度達123.3～159.5g。震中區(qū)附近的歷史地震以主余型和孤立型為主,見圖1。汶川大地震與龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶緊密相關(guān),該構(gòu)造帶是青藏高原內(nèi)部巴顏喀喇地塊和中國東部華南地塊的邊界構(gòu)造帶,具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。這次強震發(fā)生在映秀?北川斷裂之上,震級為Mw8.3,其震源機制比較復(fù)雜,在震源過程中震源機制隨著時間和空間在發(fā)生變化(見圖2)。在地震的開始階段表現(xiàn)為以逆沖為主,但后來逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰呋瑸橹?。破裂面從震中汶川縣開始破裂,并且破裂以3.1km/s的平均速度向北偏東49°方向傳播,破裂長度約300km,破裂過程總持續(xù)時間近120s。地震的主要能量于前80s內(nèi)釋放,最大錯動量達9m,震源深度約10多km。2施策與震害機理近幾十年來,國內(nèi)外在改進橋梁設(shè)計方法方面做出了很多努力,但是在近年來發(fā)生的幾次大地震中,橋梁結(jié)構(gòu)仍然遭到了嚴重的損害。這表明橋梁的抗震設(shè)計理論、設(shè)計方法有待進一步地完善。大量的震害資料表明,合理的結(jié)構(gòu)型式和成功的抗震設(shè)計,可以大大地減輕甚至避免震害的發(fā)生。地震中有些橋梁保持完好,在救災(zāi)工作中發(fā)揮了重要的作用,因此,應(yīng)特別重視橋梁的震害調(diào)查與震害機理分析,為橋梁抗震設(shè)計的發(fā)展提供依據(jù)。汶川大地震中,上部結(jié)構(gòu)震害較多,主要表現(xiàn)為落梁、移位、局部碰撞,見圖3、圖4。下部結(jié)構(gòu)存在橋墩折斷、鋼筋混凝土剝落、系梁開裂、擋塊普遍失效、橋臺翼墻開裂、傾斜等震害現(xiàn)象,見圖5～圖8。其中蓋梁抗震擋塊(剪力鍵)的剪斷或剪裂現(xiàn)象最為普遍,從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁,說明抗震擋塊的合理設(shè)計和施工非常重要,今后抗震設(shè)計應(yīng)予以加強。另外,橋梁附屬支座移位與變形、伸縮縫張開或擠壓、護欄開裂的震害現(xiàn)象也非常普遍。3合路設(shè)施不業(yè)橋梁作為公路工程上的關(guān)鍵節(jié)點,一旦損壞,修復(fù)時間長,工程量大,會對災(zāi)區(qū)救援產(chǎn)生極大的阻礙作用。因此,在橋梁設(shè)計時要充分考慮到結(jié)構(gòu)抗震要求,提高橋梁抗震能力,力爭做到大震時結(jié)構(gòu)不倒塌,盡量減小對道路交通的不利影響。從延性概念的提出至今,延性抗震設(shè)計理論已經(jīng)發(fā)展了近50a。延性抗震設(shè)計內(nèi)容早已被列入國外橋梁抗震設(shè)計規(guī)范。我國在2008年頒布實施的《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02012008)中增加了橋梁延性抗震設(shè)計和能力保護原則的有關(guān)規(guī)定,增加了延性構(gòu)造細節(jié)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定,以期增加初始強度沒有明顯變化的情況下結(jié)構(gòu)的非彈性變形能力,避免結(jié)構(gòu)在大震中倒塌。在汶川地震中,就出現(xiàn)了許多脆性破壞,致使橋梁失效、倒塌,可見延性設(shè)計的重要性。3.1滯回特性的吸收特性延性定義為在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形能力。它包括2個方面的能力:一是承受較大的非彈性變形,同時強度沒有明顯下降的能力;二是利用滯回特性吸收能量的能力。衡量延性的量化設(shè)計指標(biāo),一般采用曲率延性系數(shù)和位移延性系數(shù),兩者之間的關(guān)系可以由帕克提出的“等效塑性鉸長度”的定義得到。通常,截面的曲率延性系數(shù)比相應(yīng)的墩頂位移延性系數(shù)要大。3.2延性結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則采用延性概念設(shè)計抗震結(jié)構(gòu),要求在概率意義上必須保證結(jié)構(gòu)具有的延性能力超過預(yù)期地震動所能激起的最大非彈性變形(即延性需求)。從理論上講,延性需求可以通過彈塑性動力分析來獲得,這就涉及到非彈性變形問題。而各國規(guī)范中給出的是彈性反應(yīng)譜,這使得工程抗震設(shè)計的應(yīng)用遇到一些困難。各國現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范所采用的簡化的延性抗震設(shè)計是通過確定強度折減系數(shù)和采用的結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則來實現(xiàn)的。延性結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則可以歸納為強度破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則、變形和能量雙重破壞準(zhǔn)則以及基于性能的破壞準(zhǔn)則。在各國現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中,基本都直接或間接地采用了變形破壞準(zhǔn)則,而基于性能的破壞準(zhǔn)則是未來的發(fā)展趨勢。3.3其他國家的設(shè)計原理新西蘭學(xué)者鮑雷等提出了能力設(shè)計原理。在新西蘭最先廣泛應(yīng)用能力設(shè)計方法,其他國家也先后在各自的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中,采納應(yīng)用了能力設(shè)計原理的一些基本概念。能力設(shè)計強調(diào)構(gòu)件之間的安全度差異,通過這種差異,保證結(jié)構(gòu)在強震中延性形式的出現(xiàn),避免發(fā)生脆性破壞。3.4延伸設(shè)備的詳細設(shè)計3.4.1水平連接鋼筋混凝土橋墩的延性主要通過橋墩塑性鉸區(qū)的塑性轉(zhuǎn)動能力獲得,采用箍筋約束混凝土的概念設(shè)計的橋墩,可以提高結(jié)構(gòu)所需的位移延性。(1)第二、特征參數(shù)法橋墩塑性鉸區(qū)橫向鋼筋間距:min(1/4bmin,10cm),bmin為最小截面尺寸。螺旋箍筋或圓形箍筋體積配筋率ρs=0.45(AgAc?1)f′cfyhρs=0.45(AgAc-1)f′cfyh或ρs=0.12f′cfyhρs=0.12f′cfyh取較大者。(1)矩形箍筋計算方向最小配箍率ρs=0.30(AgAc?1)f′cfyhρs=0.30(AgAc-1)f′cfyh或ρs=0.12f′cfyhρs=0.12f′cfyh取較大者,(2)式中,Ac是螺旋筋外側(cè)邊緣以內(nèi)的核心面積;Ag是橋墩的毛面積;f′c是給定的混凝土抗壓強度;fyh是箍筋或者螺旋筋的屈服強度。(2)鋼筋混凝土橋墩加州標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定橋墩塑性鉸區(qū)橫向鋼筋間距為min(1/5bmin,6dbl,20cm),bmin為最小截面尺寸,dbl為縱向鋼筋直徑。鋼筋混凝土橋墩塑性鉸區(qū)范圍內(nèi)的最低約束箍筋用量的規(guī)定,考慮了軸壓比的影響。ρs=4×AbD′×sρs=4×AbD′×s,(3)式中,D′外圍箍筋中心線圍成混凝土截面尺寸。(3)橫向鋼筋配筋率核心混凝土的螺旋鋼筋的體積配筋率計算ρw=4Asp/Dsps。矩形截面橫向鋼筋配筋率ρw=Asw/sb。橋墩塑性鉸區(qū)橫向鋼筋間距取min(6dbl,1/5bmin),bmin為最小截面尺寸,dbl為縱向鋼筋直徑。(4)配筋直徑及含再配筋率原89規(guī)范:位于烈度為8度或者8度以上地震區(qū)的橋梁,橋墩箍筋加密區(qū)段的螺旋箍筋間距不大于10cm,直徑不小于8mm;對矩形箍筋,縱橋向和橫橋向的體積配筋率均不低于0.3%?，F(xiàn)行細則:墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋最大間距不應(yīng)大于10cm或6ds或b/4,其中ds為縱向鋼筋直徑,b為墩柱彎曲方向的截面寬度;箍筋直徑不應(yīng)小于10mm。與Caltrans標(biāo)準(zhǔn)相同,最小配箍率考慮了軸壓比的影響。對于抗震設(shè)防烈度7度、8度地區(qū),圓形、矩形墩柱潛在塑性鉸區(qū)內(nèi)加密箍筋的最小體積含箍率分別按公式(4)和公式(5)計算。9度及以上地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加,以提高其延性能力。圓形截面矩形截面式中,ηk是軸壓比;ρt是縱向鋼筋配筋率;f′c是混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值;fyh是箍筋抗拉強度設(shè)計值。3.4.2錨固定和連接(1)機械接頭焊接由于塑性鉸區(qū)可能出現(xiàn)混凝土表層的脫落,箍筋末端應(yīng)做成135°彎鉤,且伸入到核心混凝土的深度不低于10倍箍筋直徑。對于潛在塑性鉸區(qū)的螺旋鋼筋接頭必須采用機械接頭或焊接。在塑性鉸區(qū),縱向鋼筋不應(yīng)搭接。(2)鋼筋接頭設(shè)置要求延性構(gòu)件無接頭區(qū)采用以下值的較大者:塑性鉸長度和墩的彎距需求超過My的部分。在無接頭區(qū)內(nèi),縱向鋼筋、螺旋箍筋和圓形箍筋不允許有接頭。無接頭區(qū)外,延性構(gòu)件的鋼筋接頭的設(shè)置應(yīng)滿足接頭性能要求。能力保護構(gòu)件的鋼筋拼接應(yīng)滿足正常使用階段的要求。在鋼筋應(yīng)變接近屈服時,能力保護構(gòu)件的拼接性能應(yīng)該由正常使用水平提升到極限承載水平。(3)彎鉤和搭接長度原則上,在4倍塑性鉸長度的范圍內(nèi),縱向鋼筋不應(yīng)有接頭。箍筋圍繞縱向鋼筋布置,其末端設(shè)成彎鉤并伸入到橋墩中,箍筋的拼接應(yīng)該是交錯分布的。彎鉤形式不同,延伸長度也不同。半圓形彎鉤,8倍彎曲鋼筋筋直徑或12cm;銳角彎鉤,10倍彎曲鋼筋直徑;直角彎鉤,12倍彎曲鋼筋直徑。彎折的角度至少是箍筋直徑的2.5倍,這里的箍筋直徑指彎折之前的直徑。如果箍筋的拼接在矩形截面的拐角的其他部分,一般箍筋的搭接長度應(yīng)大于40倍箍筋直徑。圓形截面中,若采用搭接方式,搭接的長度至少是箍筋直徑的40倍。箍筋和拉筋的彎鉤都應(yīng)符合上述要求。(4)橫向鋼筋搭接搭接僅僅容許在墩高度的中部出現(xiàn)。搭接長度要求不小于60倍鋼筋直徑,且不小于400mm。搭接要求錯落分布,在同一位置的2簾上不出現(xiàn)搭接。在搭接范圍內(nèi)的橫向鋼筋最大間距不超過100mm,對于加速度系數(shù)稍低地區(qū)的橋梁則取不超過15mm和最小構(gòu)件尺寸1/4的較小者。相鄰縱筋的焊接和機械連接不允許在同一截面內(nèi),且沿墩軸向,相鄰鋼筋接頭的最小距離應(yīng)不小于600mm。(5)菌筋進入核心混凝土內(nèi)的長度原89規(guī)范:螺旋箍筋接頭必須焊接,矩形箍筋應(yīng)采用135°彎鉤,并伸入核心混凝土中?，F(xiàn)行細則:在原89規(guī)范的基礎(chǔ)上,對箍筋伸入核心混凝土內(nèi)的長度作了規(guī)定,即伸入核心混凝土內(nèi)6ds以上,且加密區(qū)箍筋肢距不宜大于25cm?？v向鋼筋的錨固和搭接長度應(yīng)在現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTGD62