桥梁结构如果缺乏合理的抗震设计,在地震时将产生严重的损坏。事实表明,国内外由于地震造成的桥梁结构破坏的数量,远远多于因风灾、船撞等其他原因而导致的破坏。
梁桥受到地震力作用时,将受到不同程度的破坏,从目前所调查到的所有梁桥的倒塌和严重破坏几乎都出现在顺桥方向,而在横桥方向一般只出现中等程度的破坏。实践证明,在地震区的桥梁,结构对称、刚度均匀均有利于抗震,不等跨桥墩容易发生震害。
大量震害分析表明,引起桥梁震害的原因主要有四个:①发生的地震强度超出抗震设防标准;②地震引起地基失效或地基变形;③桥梁结构设计、施工不合理;④桥梁结构本身抗震能力不足。由于这些因素的作用,桥梁将受到不同程度的破坏。
从结构抗震设计的角度出发,可以将桥梁震害归为两大类,即地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。
桥梁震害的内因可基本归纳为结构设计和构造两方面,根据桥梁地震灾害的灾后调查,桥梁结构的震害主要反映在结构的各个部位,并可以按照结构从上到下分成上部结构震害、支座震害、下部结构震害和桥梁基础震害。这里将桥梁各部位的震害情况简要叙述如下:
1.上部结构的震害
上部结构本身遭受震害而被毁坏的情况比较少见,往往是由于桥梁结构其他部位的破坏而导致梁体的破损,例如相邻梁体互相碰撞而导致梁体端部及附近桥面结构破损等。当梁体的震害位移过大而超出墩台等的支撑面时,就会发生严重的整跨落梁
(1)自身震害
这种由于自身受到震动而遭受的破坏很少出现,一般在钢结构的局部有受到屈曲而破坏的现象。
(2)移动震害
在破坏性地震中极为常见,一般出现在设置伸缩缝的地方,表面为桥梁上部结构的纵向移位、横向移位以及扭转移位;如果移位最较大超出支承面,还会发生更为严重的落梁震害,若撞击桥墩将给下部结构带来很严重的破坏。
(3)碰撞震害
当相邻结构的间距过小时,一旦发生地震,便可能导致产生很大的撞击力,使结构受到破坏,包括相邻跨上部结构的碰撞、上部结构与桥台的碰撞和相邻桥梁间的碰撞等。
2.支座的震害
桥梁支座历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节,在历次破坏性地震中,支座的震害现象都较普遍。
支座的破坏形式主要表现为:支座移位、锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落、支座本身构造上的破坏。
(1)活动支座的破坏。活动支座是梁桥抗震中一个最薄弱的环节,因为它本身是一个机动结构,在地震力作用下将产生产大幅度的水平相对位移。在地震烈度大于7度时,摆动支座、滚动支座普遍出现失稳、倾倒和脱落。
(2)固定支座的破坏。固定支座在地震时出现两种情况的破坏,一种是顺桥向的纯剪切破坏,另一种是横桥向的弯扭破坏。
(3)胸墙和梁端的破坏。当固定支座被剪断后,梁将撞击胸墙,对于高度较大的胸墙。当梁端的撞击力作用在胸墙较高部位,胸墙出现弯剪破坏;当撞击力作用在胸墙较低部位,胸墙出现剪切破坏。
由于支座的严重损坏还可能导致支承联结部件失效。实践证明,一旦桥梁支承联结部件失效,其结构便会丧失整体性,上部结构与下部结构有可能脱离,导致梁体坠毁。而支承联结部件失效一般始于支座的破坏,一般表现在连接固定支座的部件或支座本身由于强度不足而引起的破坏和活动支座位移能力不足或其位移超出允许范围而导致的破坏。一旦支座破坏后,上下部结构之间将产生较大的相对位移,若墩台顶的支承面过窄,便会出现落梁的现象,而落梁所产生的巨大冲击力可能会导致下部结构的严重破坏,因此其后果是相当严重的。
3.桥梁下部结构的震害
桥梁下部结构由于受到较大的水平地震力,瞬时反复的震动对相对薄弱的截面易产生破坏,而下部结构承受着上部结构的荷载,因此它的严重破坏将很可能导致桥梁的整体破坏,也是桥梁在震后不易修复的主要原因。
(1)墩柱的破坏
桥梁结构中大多采用钢筋混凝土墩柱,墩柱的破坏主要是设计时墩柱延性不足、抗剪强度不够或构造上存在缺陷等因素的导致的。
在地震力作用下,墩身顺桥向由于抗弯应力不足出现裂缝和折断。对等截面钻孔灌注桩,将在地面以下1~3倍桩径范围内破坏。这是因为在刚性地基上,地面下的墩身为弹性固结,其弯矩最大位置在地面以下1~3倍桩径范围。在冬季有结冰的情况下,墩身将在地面处折断。对变截面的钻孔灌注桩,破坏发生在截面突变处。(www.daowen.com)
墩柱弯曲破坏:这种破坏在破坏性地震中是非常常见的震害形式,弯曲破坏是延性的,有较明显的征兆,多表现为开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等,并产生很大的塑性变形,主要是约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢等引起的墩柱的延性能力不足;多出现在高柔的桥墩。
墩柱剪切破坏:墩柱的剪切破坏在历次大地震中都不少,剪切破坏是脆性的,无明显征兆,往往会造成墩柱及上部结构的倒塌,震害较为严重,多出现在粗短的桥墩。
墩柱的承台破坏:这种震害虽然很少见,但一旦出现,则可能导致墩梁倒塌的严重后果。
(2)框架墩的震害
框架墩在震害中出现的破坏形式主要有盖梁的破坏、墩柱的破坏及节点的破坏。
盖梁的破坏形式主要有因剪切强度不够引起的剪切破坏、盖梁负弯矩钢筋过早切断引起的弯曲破坏、盖梁钢筋的锚固长度不足引起的破坏;盖梁与柱顶连接处也是受震的薄弱环节。
框架墩柱的破坏形式与其他墩柱类似,对混凝土桥墩,断裂往往出现在工作缝处。
节点的破坏主要是剪切破坏。
(3)桥台的震害
桥台的震害在历次地震中也是较为常见的,主要表现在由于地表以下土层中砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或开裂使地基丧失承载力而引起桥台的滑移,台身与上部结构发生碰撞破坏,桥台开裂,以及桥台的向后倾斜等,严重的会导致桥台垮塌。
4.桥梁基础震害
基础的震害是相当严重的,大量震害资料表明:地基失效(如土体滑移和砂土液化)是桥梁基础产生震害的主要原因。扩大基础的震害一般由地基失效引起。桩基础的震害,除了地基失效这一主要原因外,还有上部结构传下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲破坏,更有桩基设计不当所引起的震害。
对于在软土地基中的桩基础由于桩基自身强度不足、桩顶与承台联结构造措施不足或桩基深入稳定土层深度不够等易导致基础的破坏,这种破坏具有隐蔽性,一般不易发现和修复。
5.横桥向的震害
梁桥横桥向的破坏远比顺桥向轻,横桥向一般只出现支座横移、梁墩相对横移、墩身弯曲和扭转裂缝、边梁倾覆失稳等震害,很少出现上部结构整孔横向落梁和墩身横桥向折断等危险震害。
6.桥梁结构抗震体系
分析桥梁震害教训,可以得到有关桥梁抗震设计的启示,《城市桥梁抗震设计规范》3.4.1条的“条文说明”指出了这点。
3.4.1 本条是在吸取历次地震震害教训基础上,为提高桥梁结构抗震性能,防止地震作用下桥梁结构整体倒塌破坏,切断震区交通生命线而规定的。
《城市桥梁抗震设计规范》3.4.1条的规定为:3.4.1 桥梁结构抗震体系应符合下列规定:
1 有可靠和稳定传递地震作用到地基的途径;
2 有效的位移约束,能可靠地控制结构地震位移,避免发生落梁破坏;
3 有明确、可靠、合理的地震能量耗散部位;
4 应避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。
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