地震作用下橋墩破壞機理及震后修復技術

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

2008年5月12日四川省汶川縣發生了里式8級特大地震，造成大量人員傷亡，建筑、路橋大量損毀，其中很多橋梁是因為橋墩破壞導致橋梁損毀，給災后救援帶來了前所未有的挑戰。研究橋墩在地震作用下的破壞機理以及災后快速修復技術對災后救援、運輸有著重要的經濟意義和實用價值。

二、橋墩的破壞形式

通過研究汶川地震橋墩的破壞形態，根據胡毅[1]的研究成果，可將橋墩的破壞形式大致分為彎剪破壞、彎曲破壞和剪切破壞，下面具體分析三種破壞形式。

(一)彎曲破壞

橋墩承載力由抗彎承載力和抗剪承載力相對大小決定，當橋墩的抗剪承載力大，則橋墩承載力由抗彎性能決定，橋墩在地震作用下會發生彎曲破壞。對截面較小、剪跨比較大的橋墩，地震產生的反復水平荷載作用會在薄弱截面形成塑性鉸，該區域混凝土在地震作用下發生塑性變形消耗地震能量，所以在降低橋墩剛度的同時也降低了地震強度，從而避免橋梁發生彎曲脆性破壞。破壞過程表現如下：1.當受力達到混凝土開裂強度時，混凝土外表面會出現水平彎曲裂縫；2.隨著地震強度提高，水平彎曲裂縫繼續發展，鋼筋達到屈曲強度，墩底薄弱截面形成塑性鉸；3.塑性鉸區混凝土壓碎，縱筋嚴重屈曲，甚至出現拉斷現象。

(二)剪切破壞

橋墩承載力由抗彎承載力和抗剪承載力相對大小決定，當橋墩的抗彎承載力大，則橋墩承載力由抗剪性能決定，橋墩在地震作用下就會發生剪切破壞。對截面較大、剪跨比較小的橋墩，當配箍率偏低時，容易發生剪切脆性破壞，當橋墩發生剪切破壞時，會出現傾斜的剪切滑移裂縫。破壞過程表現如下：1.當受力達到混凝土開裂強度時，混凝土外表面會出現水平彎曲裂縫；2.隨著地震強度的提高，橋墩內部出現斜向的剪切裂縫；3.斜向的剪切裂縫繼續發展、貫通，箍筋屈曲；4.荷載超過橋墩抗剪承載力，突然發生剪切破壞。

(三)彎剪破壞

彎剪破壞是因橋墩塑性鉸區的抗剪強度不足引起的破壞，其破壞形式既有彎曲破壞的特點，又有剪切破壞的特點。橋墩首先發生彎曲破壞形成塑性鉸，然后過大的軸力使混凝土壓潰，導致混凝土剝離脫落，截面面積的減少使得橋墩抗剪承載力減弱，最終導致剪切破壞。發生彎剪破壞的橋墩，破壞時其混凝土外表面同時出現彎曲裂縫和剪切裂縫，以剪切裂縫為主。破壞過程表現如下：1.拉力超過混凝土抗拉強度時，墩底會出現水平彎曲裂縫，并向側面斜向延伸;2.混凝土大面積開裂，形成多組相互交叉的主斜裂縫;3.保護層混凝土脫落，墩底形成塑性鉸;4.受力繼續增加，塑性鉸區核心混凝土壓碎，縱筋屈曲，箍筋斷裂，因塑性鉸區抗剪不足，橋墩最終發生破壞。

三、橋墩的破壞機理

地震區的橋墩多為柱式鋼筋混凝土橋墩，其在地震作用下的破壞過程與混凝土裂縫的發展到破壞過程息息相關。

鋼筋混凝土橋墩在承受地震作用的過程中，其受力變形發展主要取決于混凝土內部裂縫的發展變化[2]。混凝土中砂漿與水泥石的粘結十分脆弱，在受力初期產生的混凝土裂縫主要是砂漿與水泥石之間的粘結裂縫，此時混凝土處于彈性階段，此階段為混凝土裂縫發展的穩定階段。隨著內力增加，粘結裂縫繼續發展，延伸到砂漿塊內，此時混凝土裂縫尖端應力集中，發生的塑性變形可以吸收地震能量，此時裂縫發展不如上一階段穩定。在這一階段，鋼筋混凝土內部裂縫發展延伸，并不意味著結構抗剪能力的喪失，只是由原來的骨料與砂漿的粘結力抗剪變成為骨料間的機械咬合力與摩擦力抗剪[3]。

當內力增加到一定程度，骨料間機械咬合力或摩擦力已無法承擔剪力，在沒有布置箍筋的情況下，裂縫處會發生滑移，使得裂縫迅速延伸，貫通各個短裂縫。此時在裂縫里滾動的骨料顆粒會加劇裂縫的滑移，這一階段為裂縫發展的不穩定階段。在地震作用下，達到這一階段的混凝土橋墩基本上都會發生嚴重破壞。

地震作用下的橋墩往往受到的不是單方向的力，而是受到反復循環荷載的作用，此時進入裂縫不穩定發展階段的鋼筋混凝土橋墩就會因為疲勞而發生破壞，此時混凝土強度低于靜力作用下的混凝土強度。

四、震后橋墩修復技術

(一)FRP材料套箍修復技術

FRP材料因為其強度高、質量輕、耐腐蝕、性價比高等優點，使其在土木工程領域應用極其廣泛。在工程領域常用的FRP材料主要有碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)以及芳綸纖維(AFRP)。FRP材料套箍修復技術是用FRP材料沿縱向、橫向纏繞包裹損傷的橋墩，提高其抗彎、抗剪承載力以及延性[4]。沿橫向纏繞的FRP材料對橋墩起到套箍作用，阻止橋墩橫向變形，對核心混凝土起到約束作用，從而達到提高橋墩抗彎、抗剪承載力的目的[5]。

(二)鋼套管修復技術

鋼套管修復技術是在需修復的橋墩外套鋼管，并向空隙注入混凝土，形成對橋墩的橫向約束，從而提高了橋墩的抗剪、軸向承載力和延性。

(三)狗骨式桿替換屈曲縱筋修復技術

狗骨式桿可用來代替地震中拉斷或屈曲的縱筋受力。這項修復技術通過清理松散混凝土，用狗骨式桿代替拉斷或屈曲的縱筋受力，最后用混凝土填充，從而達到修復橋墩承載力的目的。

五、結語

1.概括了地震作用下橋墩的三種破壞形式，并描述了這三種形式的破壞過程。研究破壞過程發現，彎剪破壞屬于延性破壞，彎曲破壞、剪切破壞屬于脆性破壞，其破壞形式與橋墩的截面特性有關，為了避免出現脆性破壞，在設計時橋墩截面和剪跨比要合理。

2.橋墩的變形發展與混凝土的內部裂縫的發展密切相關，通過描述混凝土裂縫發展過程，將裂縫發展分成三個階段，闡述了各個階段混凝土抗剪承載力的變化。對地震作用下受到反復循環力作用的橋墩，其鋼筋容易發生疲勞破壞。

3.總結了目前常用的三種橋墩修復技術，解釋了每種修復技術加固的原理。