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桥梁震害工程实例

桥梁震害工程实例

1引言

从地震分布特征看,我国位于世界甄大地震构造带的交汇部位,我国很多地区受到频繁而强烈地震的潜在威胁。桥梁为作交通生命线的枢纽工程,一旦遭受地震破坏,将会导致巨大的经济损失,且震后修复极其困难。1976年我国唐山地震,1989年美国Loma Pfieta地震,1994年美国Northbridge地震,1995年日本Kobe地震,1999年中国台湾的集集地震等都造成了桥梁等交通设施的的严重毁坏,直接经济损失都超过百亿美元甚至高达千亿美元。2008年05月12日,四川省汶川县发生里氏8.0级特大地震,这次地震造成了交通生命线工程的严重破坏,24条高速公路、161条国省干线、8618条乡村公路、6140座桥梁和156条隧道受损,公路、桥梁、隧道各类交通基础设施损毁的直接经济损失达670亿元,其中桥梁损毁最为严重因此,对于我国地震区的已建桥梁,有必要采取一定的抗震加固措施,而且目前我国在桥梁抗震评估方面的研究工作处在起步阶段,尚无统一标准。该章节对我国桥梁在近几次地震中的震害情况,并根据美国和日本桥梁抗震加固的一些方法和经验,对桥梁抗震加固方法进行总结和评述。

2汶川大地震棉广高速桥梁震害分析

绵广高速公路是交通部规划的国道主干线内蒙二连浩特至云南河口公路(G040)四川境内一段,路线起于绵阳磨家,经金家林、龙门、小溪坝、厚坝、广元金子山、沙溪坝、昭化、陵江、瓷窑铺、楼房沟、明月峡、中子。止于棋盘关,全长228 km,四车道高速公路。

汶川大地震地处四川龙门山地区,龙门山断裂带内主要有三条断裂带,从西北向东南分别为:沿汶川一茂汶的龙门山后山断裂带;沿映秀一北川的龙门山中央主断裂带;沿都江堰一安县的龙门山山前主边界断裂带。棉广高速距离都江堰一安县断裂较近,路线基本与之平行,走向均为NNE向,整个路线均处于龙门山断裂带影响范围之内。绵广高速全线177座桥梁受损,本次调查发现大部分桥梁梁体整体状况较好,地震并未对其造成严重的结构性损坏,但地震造成的桥梁局部损伤较多,对抗震救灾中车辆的运行带来巨大的安全隐患。

上部结构震害

桥梁上部结构震害按照产生原因的不同,可以分为结构震害、碰撞震害和位移震害(包括落梁震害)。

桥梁结构震害在历次严重的地震中都比较少见,绵广高速公路上只发现友于大桥第九孔4、5号T梁马蹄部混凝土脱落。桥梁碰撞震害包括:桥面伸缩缝位置混凝土裂缝及压碎变形,混凝土伸缩缝位置护栏混凝土撞损(磨家互通式跨线桥等),T梁横隔板开裂(友于大桥、观音岩大桥),铰缝及湿接缝开裂、混凝土脱落,及少数梁端及部分桥台(约80余处)的损伤等震害。另外由于震后绵广高速公路交通量增加、车辆荷载增大,造成桥梁碰撞震害加剧,如嘉陵江大桥、雷家坝中桥、K239+600渡槽、小塘子中桥、棋盘关中桥等。

桥梁位移震害主要表现为上部结构的纵向桥梁位移震害主要表现为上部结构的纵向位移、横向位移以及扭转。一般来说,设置伸缩缝的地方比较容易发生位移震害。如果上部结构的位移超过了墩、台等的支撑面,则会发生更为严重的落梁震害。本次调查中桥梁的位移震害较为普遍,横向位移主要出现在斜交桥上,其相对位移最大达21 cm(图4.1.1),而在正交桥梁中,桥梁的横向相对位移较小。

图1:龙门 E2匝道桥纵横向位移

支座震害

支座的破坏形式主要表现为支座的位移、锚固螺栓拔出、剪断,活动支座脱落,以及支座本身构造上的破坏等。本次调查中发现,桥梁支座损坏较多,支座存在位移、剪切变形、鼓包等震害,其中龙门E2匝道桥损坏尤为严重,主要表现为:支座移位严重,部分支座位于两片梁体之间,造成一片梁只有一个半支座支撑;支座的剪切破坏严重,部分已经卷起(图4.1.2)。

 图2龙门E2匝道桥支座剪切破坏

 

 下部结构和基础震害

汶川地震对桥梁抗震挡块及盖梁端部造成的损坏是非常严重的,支座垫石受损较小,桥梁抗震挡块损坏及盖梁端部损坏较为普遍,其中部分挡块损坏程度较为严重,震后主要靠挡块内部钢筋支撑。桥梁墩、台及系梁受到的损坏相对较小,但是依然有部分桥梁的墩(跨宝成铁路l号桥和剑门河大桥)、台、系梁(剑门河大桥等)受到损伤,主要表现为:在系梁根部出现环形或半环形裂缝。桥梁防护工程的损坏主要表现为锥坡、护坡的下沉、开裂、抹面砂浆的开裂、下滑(如黄家河大桥等)。

调治构造物震害

调治构造物在本次地震中受到的损坏较小,并且不影响构造物的使用,也不影响桥梁及其他结构的安全。

震区桥梁抗震对策

根据绵广高速的调查资料显示,绵广高速公路斜拉桥(涪江四桥主桥)和大部分拱桥未发现明显严重震害(除肖家坝大桥、龙洞背大桥拱上立柱下部靠近拱圈位置出现环向或半环向裂缝)。在不同结构形式的桥梁中,梁桥的破坏比拱桥和斜拉桥的破坏严重,整体性较差的装配式粱(或板)较整体性较好的现浇箱梁破坏严重。这是因为大部分震害的产生均基于梁体的横向、纵向位移,而位移的产生是由于作用于主梁的地震力超过支座的摩阻力或支座本身强度。所以,在不同的地方,尤其是大的断裂带附近或地震分布带上,尽量采用抗震作用比较强的桥梁结构形式:如斜拉桥、拱桥、现浇连续箱梁等。

在桥梁抗震设计时,既要允许结构各构件之间发生对抗震性能有利的相对运动,以减小构件内部的地震力,但也要对相对运动的位移量采取限制措施,以防止主要构件之间的连接失效(如落梁等)。从汶川地震对绵广高速桥梁的破坏情况看,抗震挡块虽然大部分遭到破坏,但对于限制梁体横向位移,防止落梁和梁底支座脱空起到了至关重要的作用。因此,桥梁抗震设计时,对于不同的桥梁形式应采用行之有效的抗震措施,如可以适当增强挡块作用,或采用隔震(如隔震支座)、耗能(如阻尼)装置等措施。

3汶川地震公路网震害分析

2008 年5 月12 日14 时28 分(北京时间),四川汶川发生Ms = 8.0 级地震,这是一次以逆冲为主、兼少量右旋走滑的地震。地震发生于龙门山中央断裂带(北川—映秀断裂),破裂长度约300 km,最大烈度达11 度,受灾极重地区为映秀—北川—青川方向的带状区域。

汶川大地震造成了公路网严重破坏,仅四川的公路受损里程近2.8×104 km,直接经济损失580 亿元。通往汶川、茂县、北川、青川、平武等重灾县以及254 个乡镇公路交通一度完全中断,给受灾地区的救援工作带来极大的困难。震后3 个月仍有G213 线映秀—汶川段、S303 线映秀—耿达段和S302 线茂县—北川公路擂鼓镇—禹里乡段等3 条国省主干线未抢通,极大地影响了灾后恢复重建工作,也大幅度降低了区域之间的交通功能。

此次地震地处山区,严重的次生地质灾害是导致公路严重受损的最主要因素,而桥梁作为公路的控制性工程,其受损程度也极其严重,损失巨大。

主梁移位及落梁

主梁移位在极震区桥梁中相对比较普遍,但主梁移位的极端情况——落梁破坏相对较少。发生严重梁体位移的12 座桥梁中,梁体移位主要表现为纵桥向移位、横桥向移位和平面旋转等现象。由于梁体直接支撑在桥墩上,相互之间仅靠橡胶支座相联系,基本没有水平约束,当水平地震力超过摩擦力或支座抗剪能力时,梁体与桥墩发生相对位移。横桥向移位的桥如G213 线鱼子溪桥为3×22.2 m 简支T 梁,主梁横向移位达到30 cm。图4.2.1 所示的G213线白水溪大桥3 号墩墩顶梁体横向移位达到1200px[2],面临横桥向落梁危险。纵桥向移位的桥如G213 线寿江大桥,梁体向映秀方向纵移,导致第1跨面临纵桥向落梁的风险,见图4.2.2。同时大量的斜交桥梁发生了平面转动,如图4.2.3 所示的映秀—汶川二级路的皂角湾桥,斜交45°,梁体产生了平转。

图4.2.1 白水溪大桥3 号墩梁体横向移位

图4.2.2 寿江大桥第1 跨主梁纵向移位

 

图4.2.3 皂角湾桥梁体平转

桥墩震害

桥墩是支撑梁体的主要构件,同时由于桥梁结构上刚下柔的特点使得桥墩极易出现破坏。其震害主要包括墩身的剪断、压溃和开裂;其次是横系梁开裂、横向移位及倾斜,主要出现在靠近断裂带附近的少数桥梁。图4.2.4 所示的都汶公路K26+773 顺河大桥,其跨径组合为1×30 m 预应力混凝土T 梁+7×20 m 空心板,下部结构采用桩柱式墩,在3 号墩左柱、5 号墩右柱发生斜剪破坏;图21所示的百花大桥桥墩在墩底大量产生压溃破坏,在刚度突变处墩身压溃和横系梁开裂;图4.2.5 所示的岷江庙子坪大桥主桥5 号主墩墩身底部横向贯通裂缝;都汶高速公路新房子大桥右幅的6×25 m 连续箱梁因地基滑移致使墩柱倾斜,最大纵向倾斜度达30‰,最大横向倾斜度为14‰。

通过对表3 中破坏严重的21 座梁式桥统计分析表明,墩底截面出现震害的可能性远较其他截面要大得多,只有1 座桥损伤位置出现在盖梁底部,见图4.2.3,其余均出现在墩底或横系梁处。这一震害表明,对于梁式桥,刚度突变截面是抗震的控制截面。

图4.2.4  K26+773 顺河大桥5 号墩右柱剪断

 

 

图4.2.5 庙子坪岷江大桥主墩水下墩身开裂

 

 

支座破坏

支座不太被重视,但功能却十分重要,地震时其作用更为明显。支座破坏是桥梁上部结构中最常见的一种破坏现象,主要表现为支座撕裂、脱落等,见图4.2.6。梁的纵横向移位大多数都是以支座破坏为前导。地震时支座受到很大剪力和变形,当剪力超过支座容许剪力时支座被撕裂破坏;当变形超过支座容许剪切变形时,梁与支座产生相对滑移,直至产生落梁现象。

图4.2.6 支座撕裂

 

桥台震害及其他

桥台是桥梁两端的支撑部分,桥台的填料三面临空,易造成破坏。此次地震中桥台的破坏主要有:重力式桥台的墙体开裂,肋板式桥台肋板开裂、背墙耳墙开裂、桥台锥坡开裂、桥台填料垮塌、搭板下沉等,见图4.2.7~4.2.10。

图4.2.7 重力式桥台侧墙开裂

 

图4.2.8  肋板式桥台肋板开裂

 

图4.2.9  寿江大桥汶川岸桥台受梁体纵向挤压,背墙和

侧墙破坏

 

图4.2.10  古溪沟中桥桥台填料垮塌、搭板悬空

 


4桥梁震害的启示与对策

桥梁抗震减灾的依据是桥梁的震害调查及分析,根据汶川大地震桥梁的震害进行桥梁抗震减灾对策研究是必须的。

次生地质灾害

在汶川大地震中,山体崩塌、落石等次生地质灾害引起桥梁严重破坏。因此在高烈度地震区,桥位选择应充分考虑地形和地质条件,尽量远离陡坡危岩落石影响范围。对于必须通过不良地质病害的桥位必须进行边坡防护处治。

近场地震

针对在活动断裂区桥梁破坏严重的现象,应加强高烈度地震区活动断裂带的调查,取得相对准确的断裂带分布。桥位选择要尽量远离断裂带,尤其应避免与断裂带小角度交叉。必须交叉时应选择易于修复的桥梁方案并制定相应的应急预案,同时应加强近场地震的研究。

不同桥型抗震能力差异

针对在本次地震中,简支体系桥、连续梁桥、连续刚构桥、拱桥在地震中的表现有一定差别,在地震高烈地区进行桥梁抗震设计时,应从宏观考虑不同桥型的抗震能力及其结构自身的抗震弱点加以设防。连续梁桥由于固定墩的设置及墩身高度的差异,使各桥墩水平抗推刚度差异大,地震时存在水平地震力分配严重不均的问题,在本次地震中,连续梁桥的破坏甚至超过了简支体系桥。建议在地震区公路中,若采用连续梁桥,应加装墩梁联动装置(VLD),这样可使各墩的水平力分布相对均匀;此外,采取合理的支座设置方式及支座构造,也是解决桥墩水平地震力分配严重不均的途径之一。

此外,由于弯、斜桥在地震中的破坏普遍较直线正交桥严重,因此在地震高烈度地区应尽量减少弯、斜桥。

总之,桥型结构应有简明的传力路径和合理的地震作用传递路线;外形应简单,自重轻,刚度和质量分布匀称,重心低;各构件间应采用有利于提高结构整体性的连接方式。