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浅谈桥梁抗震概念设计

2012-4-27 14:35| 发布者: lansebeiai| 查看: 2204| 评论: 0|来自: 中国公路网

摘要: 桥梁是交通生命线工程中的重要组成部分,震区桥梁的破坏不仅直接阻碍了及时救灾行动,使得次生灾害加重,导致生命财产以及间接经济损失巨大,而且给灾后的恢复与重建带来困难。在近30年的国内外大地震中,桥梁破坏均 ...
    
    桥梁是交通生命线工程中的重要组成部分,震区桥梁的破坏不仅直接阻碍了及时救灾行动,使得次生灾害加重,导致生命财产以及间接经济损失巨大,而且给灾后的恢复与重建带来困难。在近30年的国内外大地震中,桥梁破坏均十分严重,桥梁震害及其带来的次生灾害均给桥梁抗震设计以深刻的启示。在以往地震中城市高架桥或公路上梁桥的墩柱的屈曲、开裂、混凝土剥落、压溃、剪断、钢筋裸露断裂等震害,桥梁防震越来越受到各国工程师的重视。  

1.典型桥梁震害简介   
  历史上发生的大地震给人们带来了巨大的生命财产损失,促使人们去研究和了解这种特殊的自然灾害,探讨减轻震害的对策和方法。至20世纪60年代世界性的地震工程研究与结构抗震理论研究已取得了较大进展,大多数国家根据本国国情,制定了相应的结构抗震设防原则与抗震设计规范。但是,1971年圣费南多地震(M6.6);1989年美国洛马普里埃塔地震(M7.0);1994年诺斯雷奇地震(M6.7)以及1995年日本阪神地震(M7.2)均为中等强度的地震,而桥梁的破坏却十分严重。这迫使各国工程师对桥梁震害进行分析,对结构的抗震设防标准与抗震设计原则提出新观点。下面简要介绍几个典型的桥梁震害。1999年台湾地震中乌溪桥南下线桥墩受剪破坏情况(见图1)。1995年日本阪神地震中阪神高整线在神户市内高架桥的倒毁,一共18根独柱桥墩被剪断,长500m左右的梁部侧向倾倒(见图2)。阪神地震中西宫港大桥系杆拱主跨的东连接第一跨的引桥由于支座抗剪承载力不足而破坏导致落梁破坏(见图3)。1989年美国洛马普里埃塔地震中高整公路880号线塞普里斯高架桥。地震中该桥有一段800m长的上层桥面因桥墩断裂塌落在下层桥面上,上层框架完全毁坏。

2.桥梁震害分析   
  桥梁上部结构由于受到墩台、支座等的隔离作用,在地震中直接受惯性力作用而破坏的实例较少,由于下部结构破坏而导致上部结构破坏则是桥梁结构破坏的主要形式,下部结构常见的破坏形式有以下几种:   
  (1)墩台位移使梁体由于预留搁置长度偏小,使得桥跨纵向位移超出支座长度而引起落梁破坏;
  (2)支座在地震作用下由于抗剪承载力不足而破坏,导致落梁;
  (3)配筋设计不当,承载力不足,引起结点部位破坏;
  (4)墩柱失效引起落梁破坏。

3.关于桥梁抗震概念设计的一些想法
  建筑结构抗震设计有如下原则:   
  强柱弱梁:要求同一结点柱端截面受弯承载力总和大于梁端受弯承载力总和;强剪弱弯:控制截面的抗剪承载力大于抗弯承载力;强结点弱构件:梁柱结点是保证结构整体性和关键部位,要保证结点有足够的强度和刚性,建筑结构抗震的一般原则同样适用于桥梁结构。  
  如前所述,桥梁在地震中往往下部结构破坏,所以在抗震设计中桥墩比桥梁重要。并且桥墩是桥梁结构中最重要的承重构件,桥墩破坏将导致整个桥梁结构的倒塌。在地震作用下,它是压、弯、剪构件,其变形能力不如以弯曲作用为主的梁,因此要使桥梁结构具有较好的抗震性能,应该确保桥墩有足够的承载力与延性。即从桥梁整体结构的角度出发进行桥梁抗震设计,应该要求“强墩弱梁”。   
  如今人们对地震的研究还有待深入,提高结构的变形能力,增加结构延性,提高结构耗能能力对于改善结构的抗震性能有着重要的意义。结构的弯曲破坏是塑性破坏,发生弯曲破坏时,钢筋屈服形成塑性铰,从而具有塑性变形能力,构件表现出很好的延性,而且结构的塑性变形使得刚度下降,其所分担的地震作用也相应减少。当结构发生弯曲破坏时可以有效地通过变形来吸收和耗散能量。   
  而结构剪切破坏时,其破坏形态是脆性破坏或者延性很小,不能满足桥梁延性设计的要求。桥墩在地震作用下要有足够的延性,其控制截面处的抗剪承载力要大于抗弯承载力,在弯曲破坏之前不发生剪切破坏。即从个别受力构件的角度出发进行桥梁抗震设计应该要求受力构件“强剪弱弯”。
  以往的桥梁震害中,支座破坏引起桥梁结构塌落毁灭屡见不鲜,它历来被认为是桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节。城市高架桥梁柱的结点,桥墩与盖梁的结点,桥墩与基础等结点也经常发生破坏。结点是保证结构整体工作的重要构件,在地震作用下结点受到水平、竖向剪力和弯矩的共同作用,受力复杂,并且一旦受损难以修复。由于结点受力复杂,目前美国的AASHro规范,欧洲的Eurocode规范和我国的公路抗震设计规范对结点的设计和构造都没有特别的规定。在桥梁抗震设计中除了要保证桥墩、桥梁有足够的承载力和延性外,还要保证桥梁节点有足够的承载力,避免节点过早破坏。即“强节点,弱构件”。  

4.结语   
  (1)如今人们对地震作用的研究还有待深入,单从理论上进行抗震设计的方法不可取,桥梁工程师要从震害中吸取教训,凭借经验进行概念设计在桥梁抗震设计中显得尤为重要。  
  (2)桥梁震害多种多样,包括桩基折断,地层不均匀震沉陷,砂土液化等,文中只简要介绍了桥墩、支座、结点的震害。 
  (3)无论桥梁结构还是建筑结构其受力构件的受力性质都是拉、压、弯、剪、扭的一种或几种的组合,两种结构具有相似性,建筑结构中的一些成功经验同样可以用于桥梁结构中。   

参考文献:   
  【1】范立础,桥梁抗震[M],上海:同济大学出版社 1997 10—15。   
  【2】李爱群、高振世,工程结构抗震与防灾[M],南京:东南大学出版社 2003 212—213。   
  【3】范立础、李建中、王君杰,高架桥梁抗震设计[M],北京:人民交通出版社 2001 56—59。   
  【4】范立础、卓卫东,桥梁延性抗震设计[M],北京:人民交通出版社。

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