桥梁抗震文献综述.doc

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桥梁抗震研究

摘要:

文章从研究桥梁震害的角度出发,通过分析桥梁主要震害形式和震害原因,并阐述了现在常用的抗震设计方法,还提出了在桥梁抗震设计中应遵循的一些设计思想和设计原则,从而提出了新的技术。

关键词:

桥梁震害;抗震设计;抗震措施；设计原则;

桥梁是生命线工程的重要组成部分,是交通运输的枢纽工程,在抗震救灾中处于极其重要的地位。

因此,如何提高桥梁的抗震能力,使桥梁在地震时能起到安全疏散、避难的作用,地震后确保抗震救灾重建家园的交通需要,是桥梁工程中的重要研究课题。

桥梁同其他建筑物一样,如果不进行正确的抗震设计,在地震时将产生严重的破坏。

目前,在桥梁抗震研究方面处于领先水平的是美国和日本。

二十多年来他们做了许多开创性的工作,例如桥梁全桥模型的多台振动台模拟地震试验,桥梁上下部结构相互作用力学模型,非线性地震反应分析方法等,并将所取得的成果应用于工程实际,制定出桥梁的抗震设计规范。

此外,新西兰在研究利用延性抗震和减震隔建支座方面也做出了突出的成绩,并投入了工程实用。

虽然我国开展桥梁结构抗震研究工作比较晚,直到1976年唐山地震后才得以重视,但由于桥梁研究工作者的艰苦努力,十多年来所取得的科研成果还是相当丰富的。

先后进行了梁桥、拱桥、斜拉桥、曲桥的抗展研究和振动台模拟地震模型试验,研究水平从线性范围发展到非线性阶段;从确定性方法发展到可靠性理论方法,从确定桥梁的动力特性发展到实际情况。

一．桥梁主要的震害形式

1.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。

其中最常见的是移位,最严重的是落梁。

桥梁结构震害在历次严重的地震中都比较少见。

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,（如汶川地震中磨家互通式跨线桥）T梁横隔板开裂（观音岩大桥）及少数梁端及部分桥台损伤等震害。

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。

汶川地震中,桥梁位移震害极为普遍,横向位移主要出现在斜交桥上,其相对位移最大达21cm。

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。

如汶川地震中位于南坝镇的溶江桥、遭到毁灭性破坏的小渔洞大桥,及位于都江堰的虹口高原大桥都出现了严重的落梁。

2.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。

在汶川地震中,桥梁支座损坏较多,支座存在位移,剪切变形,鼓包等震害。

这是因为汶川的中小跨度梁桥一般均采用板式橡胶支座,支座与墩台和粱体间无连接措施,地震中出现了梁体与支座间的相对滑动。

绵广高速公路中的龙门E2匝道桥支座移位严重,支座的剪切破坏更为严重,部分已经卷起。

3.下部结构和基础震害

汶川地震中大量桥梁盖梁抗震挡块（剪力键）的剪断或剪裂现象较为普遍。

都汶高速公路上的庙子坪大桥的破坏即为明显例子。

桥台的震害一般比桥墩多,由于地基土液化,使桥台向河心滑移,下沉,倾斜等;由于台背动土压力,使桥台倾斜,倾倒,台身断裂等。

桥墩的震害主要是墩身下沉,倾斜及倾倒和墩身开裂,切断等。

映秀镇的顺河桥,由于桥墩与桩基础的施工接缝过于整齐,在水平和竖向地震力作用下,墩底产生剪切破坏而倒塌。

剑门河大桥的墩身出现环形裂缝等。

基础的震害主要表现是基础的整体移动倾斜,下沉或桩身或沉井的开裂或断裂。

二．桥梁震害原因分析

国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明，现在桥梁的破坏大多沿顺桥向和横桥向发生，而顺桥向震害尤其严重，分析其破坏原因主要表现在以下几个方面，即：

（1）地震位移造成的梁式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或梁体相互磁撞引起的破坏，而对拱式结构则主要表现在拱上建筑和腹拱的破坏，拱圈在拱顶、拱脚产生的破损裂缝，甚至整个隆起变形。

（2）由于地基土（如饱和粉细纱和饱和粘沙土）的地震液化影响，同样加大了地震位移的影响，进而放大了结构的振动反应，使落梁的可能性增大。

当采用排架桩基础时，则使桩基的承载力降低，从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移，而简支梁桥对此尤为明显。

另外，由于地基软弱，地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜，下沉等严重变形，进而导致结构物的破坏，震害较重。

（3）支座破坏，在地震力的作用下，由于支座设计没有充分考虑抗震要求，构造上连接与支挡等构造措施不足，或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素，导致了支座发生过大的位移变形，从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支本身构造上的破坏等，并由此导致结构力的传递形式的变化，进对结构的其他部位产生不利的影响。

（4）软弱的下部结构破坏，即由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力，导致结构下部开裂、变形和失效，甚至倾覆，并由此引起全桥的严重破坏。

（5）在松软地基上的桥梁，特别是特大桥、大中桥，地震时往往发生河岸滑移，使桥台向河心移动，导致全桥长度的缩短，这类震害是比较严重的。

（6）另外桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。

三．桥梁抗震设计思想

建于高烈度地震区的桥梁可能遭受地震破坏因此必须考虑抗震设防抗震设防的目标是小震不坏中震可修大震不倒即按多遇地震设计地震罕遇地震对桥梁进行多水准设防一般情况下抗震设计按地震动峰值加速度和地震动反应谱特征周期进行抗震验算并按抗震设防烈度要求采取相应的抗震措施

汶川大地震影响范围大破坏力极强地震发生后国家地震局交通运输部及时调整了四川震区未来年超越概率为的地震动峰值区划图作为灾后地震评价的规划用图之一该区划图全面提升了震区大部分地区的地震动峰值原有桥梁抗震设防等级已不适应新规划图要求有专家提出修旧如旧的原则即对于既有桥梁不提高其设防等级对于新建桥梁按新地震动峰值进行抗震设计提高桥梁抗震设防等级以使新建桥梁能够抵抗高烈度的地震破坏

四．桥梁抗震设计原则

桥梁抗震设计在多级设防标准的要求下对结构强度性变形结构控制结构整体稳定也要求在多级设防的原则下进行抗震设计。

对桥梁抗震性加以分析研究某类结构不能在地震区内修建在分析研究有结构抗震性能的基础上应提出更能应地震作用的结构型其次对结构抗震设不是被动地作为地震作用时结构强度变位的验算而是要从设计角度提高结的防震能力要系统考虑结构的行为能力设计。

针对目前大量高架桥倒塌毁坏的教训必须开展对抗震支座各种型式桥墩的延性研究要利用约束混凝土的概念提高它的延性不但对钢筋混凝土预应力混凝土而且对高强土结构混合结构的延性都需展开研究。

结合我国国情研究结构控制的有效型式加强抗震措施必须采用以柔克刚的设想来考虑地震区结构抗震设防的出发点改变单纯的以刚克刚的旧传统设防观点对地裂地面错动边坡倒塌沙土液化时桥梁结构如何抗震设防也应该作深入的研究。

五．目前常用的抗震设计方法

1.防止落梁的措施

当长桥高墩时应在规范基础上给予更多的安全富余例如：

都汶高速公路庙子坪岷江大桥第跨跨径墩高虽然盖梁宽度高达根据桥梁抗震细则要求，含伸缩缝宽度取即可，但该桥还是发生纵向落梁，所以在设计中应注意长桥高墩特别是设置有伸缩缝的相邻联桥墩，不仅要将主梁支承长度取值放大一些，还需要设置主梁限位装置根据国外规范以及抗震设计细则精神，同时应设置纵向防落梁构造，同时应注意限位装置不得有碍于防落梁造的发挥。

2.支座型式和布置方式

支座选型长期以来被忽视，常规梁桥多采用普通橡胶支座汶川地震后的调查表明普通橡胶支座破坏后加剧了桥梁损伤，建议根据桥梁设防要求，选用适用的支座类型基本地震动峰加速度峰值地区和以上地区应选择减震型橡胶支座。

支座的布置是否合理至关重要，汶川百花大桥第联采用一个固定支座，其余墩为活动支座，导致全联上部结构水平地震力几乎完全由固定支座下的桥墩承担，该桥墩迅速破坏后，造成联坍塌对于连续梁桥在设置固定支座后，应充分考虑固定座设置对抗震的不利影响，慎用墩梁固结方案，应注重考虑各墩水平。

受力的平均分担

3.柱式桥墩的合理设计

柱式墩是桥梁设计中最为常见的结构形式，日本阪神地震中显示出大量圆形独柱墩崩溃性破坏，汶川地震相关资料表明矩形墩要优于圆形墩，抗震设计中应首先尽量避免选用抗震性能差的圆形独柱结构，同时优先选择矩形截面形式其次应重视桥墩中间的横梁设置，横梁刚度不宜过大，避免导致强梁弱柱效应的出现，造成结构的第一塑性铰出现在墩柱之上，而不是横梁上，致使结构失效。

4.桥梁的抗震加固技术

对于处于地震多发区的已经修建的桥梁，应根据更为先进的设计思想对其进行抗震性能评价，并结合评价结果考虑是否应给予相应的抗震加固措施。

5.维护结构连接件

当支承连接件不能承受桥梁上下部结构产生的相对位移时可能会失去相应的作用，并导致梁体坠毁而这种情况往往都是由施工单位和养护单位在桥梁支承连接件的性能质量的重视度不够所引起的因此，我们应定期对桥梁支座伸缩缝等连接构件进行维护在国内目前采用较多的维护方法有采用挡块连梁装置等安装于伸缩缝等上部接缝处；安装限位装置于简支的相邻梁间；为耗散作用于结构的地震能量增加耗能装置及减隔震支座；增加支承面的宽度等措施此外，在桥梁使用期间定期检查并维护支座时应随时清除伸缩缝内的杂物。

6.加固上部结构

加固上部结构主要有粘贴钢板加固法增大截面加固法和构体系转换法粘贴钢板加固法主要在梁板桥的主梁底部出现严重横向裂缝时使用在粘贴钢板钢筋或纤维时应特别注意粘贴位置，即粘贴位置应尽量远离中性轴加固区同时还应注意黏结剂的性能以保证锚固的可靠性；增加截面加固法主要是增设钢筋在桥梁下部以提高主梁的抗弯能力同时，如果增设的钢筋较多可考虑将主梁下部的截面面积增大以避免超筋构件的出现另外，应设置锚固筋传力销剪力键等可靠的连接物在新老结构材料之间以避免增加的重量破坏原截面；结构体系转换法主要指将可承受负弯矩的钢筋设置在简支梁的梁端，使相邻两主梁连起来就可形成多跨连续梁，进而达到提高桥梁承载力的目的。

7.加固下部结构

下部结构的加固主要有柱罩填充墙连梁加固支座加固帽梁桥台和加固基础等措施填充墙具有提高柱的横向能力和限制柱的横向位移等特点，可用于多柱桥梁；连梁可提高混凝土排架的横向能力连梁可置于排架底部标高处替代墩帽，也可置于地面标高和排架底部标高之间的某个位置以调整特定排架的横向刚度；一直以来支座都是地震中受损最容易的部位，而为加固支座现在一般都采用隔震支座加固桥梁的方式，此外还有用铅芯橡胶支座或者缆索与弹性支座配套使用代替弹性支座的方法；帽梁加固方法最常见的是给现有帽梁增设垫板；桥台加固主要有两种方法，一是支座延长装置，二是用木材混凝土或钢筋填塞夹缝，后者采用较多；通常基础加固的方法是增设覆盖层均匀增加基础增加接触面积或将基础锚固于土中等。

六．新技术的探讨

通过对目前所采用的抗震措施，主要采用的是以隔震支座来达到消能减震目的。

通过查阅资料，发现地面运动周期秒，传统结构自震周期秒，因此在发生地震时，通常出现结构物共震破坏,为了防止共震，减小结构物刚度，增大柔度，实现以柔克刚增大结构物周期。

基于这种思想，构想在桥梁基础换填土，和在桥梁承台处采用超高弹性体措施。

参考文献：

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