謝華偉 雷敘淥

0 引言

地震具有突發(fā)性和強(qiáng)破壞力的特點(diǎn),通常對公路工程具有極大的破壞作用致使嚴(yán)重的交通中斷。橋梁作為“生命線工程”的重要組成部分,在地震發(fā)生后發(fā)生損壞坍塌,會(huì)給緊急救援和抗震救災(zāi)帶來更多困難,不僅阻礙當(dāng)前的救災(zāi)行動(dòng),還會(huì)影響災(zāi)后的恢復(fù)工作,因此應(yīng)對橋梁抗震給予重視。

在世界上的兩個(gè)主要地震帶:環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶中,環(huán)太平洋地震帶是最活躍的,集中了全世界80%以上的地震[1]。我國大部分地區(qū)夾在這兩大地震帶之間,是一個(gè)多地震的國家,具有地震頻率高,強(qiáng)度大且分布范圍廣的特點(diǎn)[2]。近年來,強(qiáng)烈地震頻頻發(fā)生,1976年河北唐山大地震、1999年臺灣集集地震以及2008年的汶川大地震,都造成了人民財(cái)產(chǎn)與生命的巨大損失,公路和鐵路橋梁的嚴(yán)重毀壞更給抗震救災(zāi)造成巨大的困難,給人們留下了更慘痛的記憶。這些地震災(zāi)害的教訓(xùn),使各國公路建設(shè)人員以及學(xué)者對橋梁抗震研究越來越重視,開展了廣泛的研究。如何保證橋梁在地震作用下以及地震后仍能通行,是橋梁抗震中的一個(gè)重要課題。

1 地震引起的橋梁震害

強(qiáng)烈的地震常引起地表的變化,如地裂、斷層等破壞,而橋梁作為生命線工程中的重要組成部分,一旦破壞便會(huì)造成震后救災(zāi)工作的巨大困難,使得次生災(zāi)難加重。通過調(diào)查與了解橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因,以便建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法并采取有效的抗震措施是應(yīng)對地震災(zāi)害的有效方式。對各次地震引起的震害調(diào)查進(jìn)行總結(jié),發(fā)現(xiàn)橋梁震害主要有以下幾方面。

1.1 上部結(jié)構(gòu)的震害

地震區(qū)內(nèi),梁、拱上部結(jié)構(gòu)自身因遭受地震而破壞的情形是較少見的,往往是由于橋梁結(jié)構(gòu)其他部位的毀壞而導(dǎo)致梁體、拱體的損傷。例如支承連接件失效或下部結(jié)構(gòu)失效等引起的落梁、主梁的移動(dòng)、扭曲、裂縫等現(xiàn)象。在地基良好的條件下,即使是延性很差的圬工拱橋,也都具有良好的抗震能力,但地基較差或采用柔性樁墩的多孔拱橋,上部結(jié)構(gòu)震害較嚴(yán)重[3]。在破壞性地震中,落梁震害較為常見,地震時(shí)的地面搖動(dòng)和地震引起的地面瞬時(shí)變形都能導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),當(dāng)梁與墩(臺)相對位移過大,支座喪失約束能力后便會(huì)發(fā)生落梁震害。

1.2 支座的震害

支承連接構(gòu)件是結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間聯(lián)系、傳力的關(guān)鍵部位,該類構(gòu)件在歷次破壞性地震中的損壞現(xiàn)象比較普遍。其形式主要表現(xiàn)為支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動(dòng)支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等。此類破壞之后,結(jié)構(gòu)力的傳遞方式也相應(yīng)發(fā)生了變化,從而使得結(jié)構(gòu)其他部位的抗震受到影響,進(jìn)一步加重震害。

1.3 下部結(jié)構(gòu)的震害

下部結(jié)構(gòu)的震害包括橋臺、橋墩的震害。橋臺震害主要表現(xiàn)為橋臺向河心滑移導(dǎo)致樁柱式橋臺的樁柱傾斜、折斷和開裂,橋頭引道沉降,翼墻損壞、開裂。橋臺的滑移與傾斜會(huì)進(jìn)一步使主梁受壓破壞,甚至使主梁坍毀。橋墩的震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位,墩身開裂、剪斷,受壓緣混凝土崩潰,鋼筋裸露屈曲,橋墩與基礎(chǔ)連接處開裂、折斷等[4]。

1.4 地基與基礎(chǔ)震害

地基與基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌,在震后難以修復(fù)使用的重要原因。地基破壞主要表現(xiàn)為砂土液化、地基失效、基礎(chǔ)沉降和不均勻沉降破壞及由于上承載力和穩(wěn)定性不夠所導(dǎo)致的地面大變形,地層發(fā)生水平滑移、下沉等。擴(kuò)大基礎(chǔ)自身的震害極為少見,但不良的地質(zhì)條件也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)沉降、滑移等現(xiàn)象;樁基礎(chǔ)承臺的體積、強(qiáng)度和剛度都很大,也極少發(fā)生破壞,但樁基的傾斜、下沉、滑移、裂縫、傾覆等破壞現(xiàn)象亦有發(fā)生。

2 橋梁抗震的合理途徑

對各次地震的震害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)合抗震經(jīng)驗(yàn),研究者認(rèn)為傳統(tǒng)的抗震對策難以確保橋梁在地震中的安全性。比較合理有效的抗震途徑應(yīng)該是采用抗震、隔震、減震相結(jié)合的綜合防災(zāi)對策。

2.1 橋梁的抗震設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)分析,工程人員現(xiàn)常見的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法有:設(shè)計(jì)靜力法、反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程法。靜力法假設(shè)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分與地震振動(dòng)具有相同的振動(dòng),從而作用于結(jié)構(gòu)物的慣性力即可由地面運(yùn)動(dòng)加速度與各部分的質(zhì)量乘積得到。靜力法把地震加速度看作是橋梁結(jié)構(gòu)破壞的唯一因素,忽略了結(jié)構(gòu)本身動(dòng)力特性的影響,存在較大局限性。反應(yīng)譜的概念是由美國學(xué)者M(jìn)-A.Boit提出的,并給出了第一條彈性反應(yīng)譜;G.M.Housner提出了基于反應(yīng)譜理論抗震計(jì)算的反應(yīng)譜法。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法是20世紀(jì)60年代以后伴隨有限元法、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的,該法將橋梁結(jié)構(gòu)離散成多節(jié)點(diǎn)、多自由度的有限元模型,將地震強(qiáng)迫振動(dòng)的激振直接輸入,并借助計(jì)算機(jī)逐步積分求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2.2 橋梁的隔震設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)隔震的原理是增加結(jié)構(gòu)的柔性以延長結(jié)構(gòu)的自振周期,減小由地震產(chǎn)生的地震荷載[6]。增加結(jié)構(gòu)的阻尼或能量耗散能力是減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)較為實(shí)用的抗震方法,較為現(xiàn)實(shí)的方法有:采用減、隔震支座在梁體與墩、臺的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼,大量的試驗(yàn)和分析都表明這種連接方式對橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大的影響,能有效地減小墩、臺所受的地震力。利用橋墩延性減震,是橋梁抗震設(shè)計(jì)中常用的方法。其原理是將橋墩某些部位設(shè)計(jì)得具有足夠的延性,強(qiáng)震作用下這些部位便會(huì)形成穩(wěn)定的塑性鉸,并產(chǎn)生彈塑性變形延長結(jié)構(gòu)周期、耗散地震能量。

3 抗震設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

盡管許多抗震及隔震措施能對橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的分災(zāi)效果較好,但是仍有些在抗震設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題。

在多級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求下,對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、延性變形、結(jié)構(gòu)控制、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定也要遵循多級設(shè)防的原則進(jìn)行。在分析原有結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上,應(yīng)提出地震響應(yīng)相對更為適合的結(jié)構(gòu)類型。對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要從設(shè)計(jì)角度提高結(jié)構(gòu)的防震能力,并系統(tǒng)考慮結(jié)構(gòu)的行為能力設(shè)計(jì)。

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(jì)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(qiáng)抗震措施,采用“以柔克剛”的設(shè)計(jì)思想考慮地震區(qū)結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)方法,改變“以剛克剛”的傳統(tǒng)設(shè)防觀點(diǎn)。

4 結(jié)論及建議

橋梁結(jié)構(gòu)作為地震災(zāi)害后緊急救援以及運(yùn)送物資的必要條件,在地震災(zāi)害中的保通與安全至關(guān)重要。我國在橋梁抗震方面的不足主要是缺乏大量的基礎(chǔ)性研究。尤其是橋梁的抗震減災(zāi)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域,而我國對橋梁抗震新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的研究和應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。因此我們在橋梁設(shè)計(jì)過程中更要認(rèn)真分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和特性,設(shè)計(jì)有效的抗震措施以達(dá)到結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果,以便提高和完善橋梁結(jié)構(gòu)物的抗震性能,這對交通運(yùn)輸行業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效應(yīng)性同樣有益。

[1]王根龍,張軍慧,梁永朵.中國地震災(zāi)害現(xiàn)狀及地震災(zāi)害系統(tǒng)工程研究[J].災(zāi)害學(xué),2006,21(3):15-19.

[2]趙榮國,李衛(wèi)平,張 虹.2005年地震災(zāi)害綜述[J].國際地震動(dòng)態(tài),2006(1):20-23.

[3]張煜敏.考慮強(qiáng)震序列作用的連梁裝置分析研究[D].西安:長安大學(xué)學(xué)位論文,2008:6-10.

[4]徐一卓,馬 蒿.公路橋梁震害分析及抗震加固方法[J].山西建筑,2010,36(4):319-320.

[5]譚 文.淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J].山西建筑,2008,34(5):124-125.

[6]胡 鵬.減隔震裝置在橋梁抗震加固中的應(yīng)用[J].建材設(shè)計(jì)與應(yīng)用,2006(2):12-14.