淺析橋梁的震害現(xiàn)象及抗震設(shè)計

付明春，李殿平 （大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 前 言

我國是地震頻發(fā)國家，跨越世界最活躍的兩個地震帶。在地震發(fā)生后的緊急救援、抗震救災(zāi)以及災(zāi)后重建中，橋梁作為生命線工程中的關(guān)鍵部分，具有舉足輕重的作用。1976年唐山地震，20萬人死亡、16萬人受傷，這次地震使唐山市遭到毀滅性破壞；1999年臺灣集集地震，造成2400多人死亡和1萬多人受傷、5座橋梁倒塌、至少9座橋梁嚴重破壞、7座橋梁受到中等程度破壞；2008年汶川地震，近7萬人死亡、37萬人受傷，造成的損失遠比唐山大地震還要嚴重。汶川地震中道路、橋梁等生命線工程被嚴重破壞，嚴重阻礙了災(zāi)后救援工作的順暢進行，從而加劇地震災(zāi)害的嚴重性，造成生命和財產(chǎn)的極大損失，因此橋梁震害和抗震設(shè)計方法成為橋梁抗震的重要課題[1]。

1 橋梁震害現(xiàn)象

對國內(nèi)外震害的調(diào)查表明，在過去的地震中有許多橋梁遭受了不同程度的破壞，其主要震害現(xiàn)象有以下幾類。

1.1 落梁破壞

橋梁上部結(jié)構(gòu)一般具有較大的強度，直接發(fā)生破壞的情況在地震時一般出現(xiàn)較少。落梁的原因一般有支座破壞、橋墩之間地震相對位移過大、梁的支撐長度不夠、梁間地震碰撞等。

圖1為1995年日本阪神地震西宮港大橋落梁破壞；圖2為汶川地震中廟子坪大橋發(fā)生落梁破壞。

1.2 橋臺橋墩滑移

對于越過河流的橋梁結(jié)構(gòu)，常在河岸的緩坡處設(shè)置橋墩，在坡岸上建造橋臺，當(dāng)?shù)卣饎拥淖饔幂^大時，橋臺及橋墩會產(chǎn)生沉陷、斷裂或傾斜，甚至是倒塌破壞。由于橋臺的構(gòu)造特點，在地震作用下，土體自會出現(xiàn)液化和震陷等破壞現(xiàn)象，土體滑移時會給橋臺帶來巨大的推力，造成橋臺破壞。

圖1 阪神地震西宮港大橋落梁破壞圖

圖2 汶川地震中廟子坪大橋發(fā)生落梁

圖3 橋墩剪切破壞（汶川大地震，2008）

圖4 橋墩彎曲破壞（阪神地震，1995）

1.3 支座破壞

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，支座處會發(fā)生過大的變形和位移。支座構(gòu)造本身的破壞或支座處錨固螺栓剪斷、拔出等，致使結(jié)構(gòu)受力及傳遞形式發(fā)生改變，從而會造成對其他部位結(jié)構(gòu)的不利影響。

1.4 橋墩剪切破壞

地震時，橋墩的剪切破壞非常常見，使橋梁遭受破壞的重要原因之一。剪切破壞的破壞形態(tài)以斜方向上的剪切裂縫為主。在斜裂縫出現(xiàn)以前,以混凝土為主承受橋墩的抗剪作用,呈現(xiàn)斜裂縫后,橫向約束鋼筋和混凝土共同抗剪。當(dāng)橫向約束鋼筋含量偏小，地震時就容易發(fā)生橋墩剪切破壞。圖3為汶川地震造成某橋墩頂部出現(xiàn)的剪切破壞。

1.5 橋墩彎曲破壞

當(dāng)結(jié)構(gòu)的剪切破壞的承載能力大于彎曲承載能力，即抗彎性能在結(jié)構(gòu)承載力中起控制作用時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生彎曲破壞。彎曲破壞是延性破壞，一般表現(xiàn)為混凝土嚴重剝落、核心混凝土壓潰、開裂等，并會產(chǎn)生很大的塑性變形，因此這種破壞通常可以避免橋梁在地震中發(fā)生倒塌破壞。圖4為1995年阪神地震中的橋墩彎曲破壞。

2 橋梁抗震設(shè)計方法與對策

2.1 橋梁抗震設(shè)計內(nèi)容

在橋梁抗震設(shè)計方面，其研究內(nèi)容包括[2]:

①確定地震中預(yù)期的延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件，選擇地震中延性構(gòu)件潛在的塑性鉸位置。

②進行多遇地震、設(shè)計烈度地震和罕遇地震作用下的地震反應(yīng)分析。多遇地震作用下的地震反應(yīng)分析可采用反應(yīng)譜方法，而設(shè)計烈度地震和罕遇地震作用下的地震反應(yīng)分析應(yīng)采用非線性時程分析方法。

③根據(jù)箍筋約束混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變曲線進行橋墩塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動能力分析，以確定橋墩塑性鉸區(qū)域的容許轉(zhuǎn)動能力。

④進行多遇地震作用下橋墩強度驗算；設(shè)計烈度地震作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件驗算；罕遇地震作用下橋墩塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動能力驗算。

⑤根據(jù)能力保護原則進行能力保護構(gòu)件設(shè)計，以確保在地震作用下能力保護構(gòu)件處于彈性分析范圍。

⑥抗震構(gòu)造細節(jié)設(shè)計。

2.2 橋梁抗震設(shè)計方法

在對幾次大地震的震害調(diào)查和研究總結(jié)，并從中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)后，人們普遍意識到橋梁抗震性能的重要性和意義，對橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法及理論進行了一系列的研究。

當(dāng)前橋梁的抗震設(shè)計方法主要有：基于強度和基于位移的抗震設(shè)計方法。國內(nèi)外的主要現(xiàn)行規(guī)范一般采用基于強度的抗震設(shè)計方法，如我國的鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范，歐洲EUROCODES規(guī)范和美國AASHTO規(guī)范均采用基于強度的設(shè)計方法，該方法考慮反應(yīng)修正系數(shù)或綜合影響系數(shù)，用等效靜力法或反應(yīng)譜法計算地震作用效應(yīng)，再依據(jù)地震作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度進行設(shè)計或檢驗；基于位移的抗震設(shè)計方法是時下發(fā)展起來的一種新的抗震設(shè)計方法，抗震設(shè)計時，主要強調(diào)檢驗，加利福尼亞州運輸部在1999年版的最新抗震設(shè)計準(zhǔn)則中采用了該方法[3]。

近20年來，美國及日本等許多國家先后提出了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的分類設(shè)防抗震設(shè)計思想，目前該設(shè)計思想已被廣泛接受。我國目前采用的是三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)及兩階段設(shè)計。

2.3 橋梁抗震設(shè)計對策

合理的抗震設(shè)計，要求設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)，在強度、剛度和延性等指標(biāo)上有最佳的組合，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)濟地實現(xiàn)抗震設(shè)計的目標(biāo)。要達到這個要求，就需要設(shè)計工程師深入了解對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響的基本因素，并具有豐富的經(jīng)驗和創(chuàng)造力，而不僅僅只是按規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。

2.3.1 場地選擇

選擇橋址時，應(yīng)選擇堅硬的理想場地（基巖、堅實的碎石類地基、硬粘土地基），避開地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地（人工填土、極軟的粘土地基、不穩(wěn)定的坡地）。

2.3.2 體系的整體性和規(guī)則性

橋梁的整體性要好，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能是連續(xù)的。整體性可防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落，同時它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。無論是在平面或立面上，結(jié)構(gòu)的布置都要力求使幾何尺寸、質(zhì)量和剛度均勻、對稱、規(guī)整，避免突然變化。

2.3.3 加強結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計

加強結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計，可以使結(jié)構(gòu)具有良好的彈塑性變形，則橋梁在遭遇強烈地震時，盡管可能損壞嚴重，但能保證結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的最低目標(biāo)，免于倒塌；在進行抗震設(shè)計時，要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和場地地震波的頻率特性，選用合適的減隔震裝置。

2.3.4 能力設(shè)計原則

能力設(shè)計思想要求在一座橋梁內(nèi)部建立合理的強度級配，即強調(diào)強度安全度差異，在不同構(gòu)件和不同破壞模式之間確立不同的強度安全度，以確保在大地震作用下，破壞只發(fā)生在可控預(yù)定的部位，即結(jié)構(gòu)的反應(yīng)形式為延性，不出現(xiàn)脆性破壞。“強柱弱梁，強剪弱彎和強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想目前在我國被廣泛應(yīng)用[4]。

2.3.5 多道抗震防線

應(yīng)盡力使橋梁具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，則在強地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支承結(jié)構(gòu)，避免倒塌。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。但相當(dāng)于建筑結(jié)構(gòu)，橋梁在這方面可利用的余地通常并不大。

3 結(jié) 論

針對目前大量橋梁倒塌毀壞的教訓(xùn),應(yīng)該開展抗震支座、各類橋墩的延性設(shè)計研究,利用約束混凝土以提高橋梁墩體的延性。結(jié)合我國橋梁結(jié)構(gòu)的情況，研究結(jié)構(gòu)控制的有效形式,加強抗震措施,用“以柔克剛”的設(shè)計思想對地震區(qū)的橋梁進行設(shè)計,改變“以剛克剛”的傳統(tǒng)設(shè)防觀點，在橋梁設(shè)計過程中更要認真分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和特性,采取有效的抗震措施以達到結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。

[1] 柳春光.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與抗震性能分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2] 國家標(biāo)準(zhǔn)抗震規(guī)范管理組.建筑抗震設(shè)計規(guī)范統(tǒng)一培訓(xùn)教材[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3] 華南理工大學(xué)，等范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟大學(xué)出版社,1997.

[4] 胡聿賢.地震工程學(xué)(第二版)[M].北京：地震出版社,2006.