第十一章桥梁抗震加固

180第十一章桥梁抗震及抗震加固强烈地震时，公路桥梁往往遭到严重的破坏。不但直接影响交通，而且经常引起次生灾害(由于地震而引起的水、火等灾害)，加剧地震危害的严重性，修建在人口稠密地区和重要交通干线上的桥梁更是如此。为了减轻地震造成的损失，要求地震区的桥梁在抗震、防震方面贯彻预防为主的方针。因此，对现有的桥梁要做好抗震加固工作；对新建的桥梁要从设计上采取措施，并应进行抗震强度和稳定性的验算，以适应抗震的要求。第一节地震震级与烈度地壳内部发生地震的地方称为“震源”。由震源到地表的垂直投影称为“震中”。震源至震中的垂直距离称为“震源深度”。通常把震源深度在60km以内的地震称为“浅源地震”，60～300km的称为“中源地震”，300～700km的称为“深源地震”。至目前止，观测到的最深地震是720km。全世界95％以上的地震是浅源地震，震源深度集中在5～20km左右。中源地震较少，而深源地震为数极少。一般讲，对同样大小的地震，当震源较浅时，波及范围较小而破坏程度较大；当震源深度较大时，波及范围较大，而破坏程度相对较小。多数破坏性地震发生于比较浅的地方，深度大于100km的地震在地面上不致引起灾害。此外，也应看到有的地方“震级”虽小，若深度很浅，则也会引起灾害，但在此情况下受灾面积较。地震“震级”(以M表示)是表示地震本身强度大小的物理量，其数值是根据地震仪记录的地震波图来确定的，它与震源释放能量的大小有关，震级M与地震释放能虽E(单位为尔格)之间的关系是；1gE＝11.8＋1.5M一级地震的能量相当于2×1013尔格，震级每增加一级，能量增大30倍左右。七级的破坏性地震就相当于近30个两万吨梯恩梯(TNT)的原子弹所具有的能量。地震可以按震级的大小划分，如表12—1所示。地震按震级分类名称震级（M）名称震级（M）大地震M≥7微小地震3＞M≥1中地震7＞M≥5极微小地震1＞M小地震5＞M≥3一般说，7级以上的浅源地震，可以引起大的灾害；7级以下至6级的地震，可以造成一定的灾害，但影响面积较小；小于5级的地震，都不会造成灾害。一般小于2级的地震，人们感觉不到，通称“微震”；2～4级的地震即为人们所感觉，即所谓“有感地震”；5级以上将引起不同程度的破坏，又统称为“破坏性地震”；7级以上的地震亦被称为“强烈地震”。181如上所述，地震烈度表示地震后受震区地面影响和破坏的强烈程度，评定烈度的标准称为烈度表。其内容包括对客观现象的描述，如人的感觉、器物反映、建筑物的破坏和地表现象等。地震烈度的划分。在当前国际上普遍来用的是划分为12度的烈度表，除我国外还有美国等国家，但也有的国家采用10度和8度的烈度表(如日本采用0～7度的8度制，欧洲某些国家采用10度制)。中国新的12应烈度划分如表12—2所示。烈度表说明：为了使各度间对比明确，论述简单，便子使用，除去在数量上作了大致划分(大多数，许多，少数)外，对房屋类型和建筑物的破坏程度也作了如下区分：房屋类型I类：1．简陋的棚舍2．土坯或毛石等砌筑的拱窑；3．夯土墙或土坯、碎砖、毛石、卵石等砌墙，用树枝、草泥做顶，施工极糙的房屋。II类：1．夯土墙或用低级灰浆砌筑的土坯、碎砖、毛石、卵石等墙，不用木柱的或虽有细小木柱但无正规木架的房屋。III类：1．有木架的房屋(宫殿，庙宇，城楼，钟楼，鼓楼和质量较好的民房)；2．竹笆或灰板条外墙，有木架的房屋3．新式砖石房屋。建筑物的破坏程度轻微损坏——粉刷的灰粉散落。抹灰层上有小裂缝或小块别落。偶有砖、瓦、土坯或灰浆碎块等坠落。不稳固的饰物滑动或损伤。损坏——抹灰层上有裂缝，泥块脱落。砌体上有小裂缝。不同的砌体之间产生裂缝。个别砌体局部崩塌。木架偶有轻微拔榫。砌体的突出部分和民房烟囱的顶部扭转或损伤。破坏——抹灰层大片崩落。砌体裂开大缝或破裂，并有个别部分倒塌。木架拔掉，柱脚移动，部分屋顶破坏，民房烟囱倒下。倾倒——建筑物的全部或相当大部分的墙壁、楼板和屋顶倒塌。有时屋顶移动。砌体严重变形或倒塌。木架显著倾斜，构件折断。第二节抗震设防标准一、设防要求要求桥梁在遭到强烈地层时完整无损，势必大大增加工程建设本身的抗震投资，且在技术上也有困难，作为破坏性的震害并非经常发生。因此，应当容许桥梁在遭到相当于设计烈度的地震影响时；有一定程度的损坏。亦即使震害影响得到减轻(符合设防标准)具体要求是，(一)对于修建在一般地段的桥梁所谓“一般地段”是相对于抗震危险的地段、软弱性土层和可液化土层而言。大量的震害调查表明，一般地段的桥梁的震害往往较轻，有可能以不多的抗震投资达到避免或减轻震害的目的。因此，对修边于一般地段的桥梁，提出了较高的182设防要求，即“基本不坏，不需整修，或略有损坏，但经过一般整修后即可按原设计标准继续使用。”(二)对于修建在抗震危险地段、软弱粘性土层或可液化土层上的桥梁所谓“抗震危险地段”是指地震断层及其邻近地段和地震时可能发生大规模滑坡、崩塌等震害的不良地质地段。这些地段在强烈地震时，将会发生大规模的地表错动、滑坡、崩塌等严重震害。软弱粘性土层和可液化土层在强烈地震时承载力会大幅度降低并引起河岸滑移，对桥梁的危害严重。在上述地段的桥梁，目前还缺乏行之有效的抗震措施，或者虽有了一定的技术措施，但由于投资、设备等条件限制也难于普遍采用。因此，对修建于这些地段的桥梁的设防要求应有所降低，即仅要求其震害程度不超过“略有损坏，经过一般整修或短期抢修即可维持通车”的限度。二、设计烈度(一)设计烈度的确定为了对桥梁设施进行有充分依据的抗震设计，必须先了解该桥所在地区的地震烈度(地震时地面各处受到的影响和破坏的程度)。某一地区在今后一定时期内(一般以一百年为限)可能普遍遭遇到的最大地震烈度，称为基本烈度(亦称地层地区烈度)。桥梁在抗震设计时实际采用的地震烈度称为设计烈度。一般来说，设计烈度采用桥梁所在地区的基本烈度，亦即一切抗震强度的验算与构造措施的采取都以基本烈度为基础，并根据建筑物的重要性按抗震规范作适当调整，调整后的烈度称为设计烈度。例如在政治、经济、国防上有特殊要求的桥梁或技术特别复杂、修复特别团难的桥梁，其设计烈度可考虑比基本烈度提高(通常提高一度)，但应按规定的批准权限报请批准。因为设计烈度提高后造价增加并给设计带来一定的困难。对于公路桥梁，设计烈度的采用应根据工程的重要性和修复的难易程度，在基本烈度的基础上按下列情况分别确定。1．对于干线上的特别重要的桥梁，按国家的批准权限报请批准后，其设计烈度可比基本烈度提高一度采用。2．对于二级公路的桥梁和三级公路的抗震重点桥梁，其设计烈度应按基本烈度采用。3．对于三级公路的一般桥梁和四级公路的抗震重点桥梁其设计烈度可比基本烈度降低一度采用，但基本烈度为7度时不再降低。4．对于四级公路的一般桥梁，可不设防或采取简易的抗震措施。对于临时公路工程可不设防。5．对于政治、经济或国防上具有重要意义的三、四级公路的桥梁，共设计烈度的确定，可按二、三级公路桥梁的标准执行。6．对于立体交叉的跨线桥，其设计烈度尚应不低于下线工程所采用的设计烈度。7．对岩石地基上的桥梁设计烈度，可比基本烈度降低一度采用。对岸坡滑移和可液化地基上的桥梁设计烈度，可在基本烈度提高后按刚性地基考虑。上述“抗震重点桥梁”系指大桥和破坏后修复困难的中、小桥；“一般桥梁”则指非重点的中、小桥。(二)抗震设防的起点183调查表明，经受过7度地震的桥梁，其中大多数基本完好或仅有轻微损坏。所以，在一般条件下，桥梁能够经受住7度地震的影响。因而可以把以设计烈度表示的抗震设防起点定为8度，亦即对一般工程，当其所在地区的基本烈度为8度时，均应考虑抗震设防；但对下列工程，其抗震设防起点须为7度。1．修建于地震时可能发生大规模滑坡、崩塌地段的桥梁。2．修建于软弱粘性土层、饱和砂层等可液化土层上的桥梁。3．连续梁、T型刚构、大跨悬臂梁桥。三、可液化土的鉴定桥梁墩台的抗震能力与地基好坏直接有关，对于软弱粘性上和可液化砂土地基，地震时往往会出现严重震害。因此，对可液化土的鉴定(或者说对抗液化能力的分析)以判断地基在地震中能否液化，对桥梁抗震具有重要意义。关于地基是否会液化的分桥，各国都有不同的研究，我国自唐山地震后，亦有九个单位联合进行一些工作，认为从地质角度考虑，则地质年代愈老愈不易发生液化，从勘察手段方面考虑，则以标准贯人击数N63.5的修正值作为判断的基础，并列入《工业与民用建筑抗震设计规范(TJ11—78)》中，其公式如下；液化的产生，除了土层必须饱和外，还与砂土的粒径组合、密实程度、土层上面的压载大小、排水条件以及地震历时长短等因素有关。因此，对于饱和砂土和饱和粘砂土是否会发生液化，除上式外还有一些不同的判断方法。我国《水工建筑物抗震设计规范(SDJ10－78)》认为，可根据砂土的相对密度Dr来判断饱和砂的液化可能性：即当设计烈度为7度，Dr＞0.7；设计烈度为8度，Dr＞0.75以及设计烈度为9度，Dr＞0.8时，不可能发生液化。我国《铁路工程抗震设计规范(1977年)》认为，塑性指数Ip＜7，液性指数IL＞0.7的饱和粘砂土(通常认为Ip＜3时称为非粘性土或砂土，Ip＞3时为少粘性土或粘砂土)在地震时可能发生液化。《水工建筑物抗震设计规范(SDJ10－78)》认为饱和粘砂。当其饱和含水量ωs＞(0.9～1.0)ωL时(ωL为液限含水量)或IL＞0.75～1.0，地震时可能发生液化。饱和砂土和饱和粘砂土可能液化时，一般认为这些土层的竖向承载力和水平承载力均接近于零，这是因为地震区液化层内土的竖向承载力和侧向摩擦力会大大降低。降低的程度不仅与地震烈度有关，还和该土层的具体情况有关，为安全计一般认为零。实际上，很少碰到从地面或一般冲刷线起某一较大深度内整个深度均为可液化层的情况，而往往是可液化土层与非液化土层交替形成的土层，甚至其中可液化的平面范围不很大，对比较为复杂的情况，必须根据桥的大小、高矮、型式、重要性、修复难易程度、土层情况、地震烈度等具体情况作且体分析确定。第三节地震对桥梁的危害一、地震波及其传播地震时，从震源发出的地震波在地壳弹性体中扩散，形成纵波和横波两个方向的传播力。纵波往地面扩散时，质点的振动方向与地震波前进的方向一致，可产生竖直振动(上下颤动)。横波的质点振动方向与地震波的前进方向垂直，可产生水平振动(左右摇晃)。两波相比，纵波的传播速度为横波的1.8倍，因此纵波先于横波184到达。纵波的振动周期短(约为0～0.5s)、振幅小、传播的距离近。纵波的影响范围为80～110km，横波为160km以上。所以地震时，在震中附近人们会感到同时产生上下颤动(竖直振动)和左右摇晃(水平振动)；在震中段远处，竖直振动较小，先感觉有微弱上下颤动，然后才感觉左右摇晃。一般当横波到达时，地面运动最为剧烈。因此，许多国家在抗震设计中，除一些特种工程外，只考虑横波的影响。亦即水平振动的影响。二、地震对桥梁的危害由于地震波传播到地基，使桥基受到因地震而引起的水平和竖直振动，这种振动必将导致桥梁本身也产生水平和竖直振动，从而产生了水平和竖直惯性荷载(或称地震荷载)，使桥梁各部受力和变形。在惯性荷载中以水平惯性荷载对桥梁的影响较大，而且顺桥向的水平惯性荷载在结构中产生的地震应力远比横桥向的水平惯性荷载产生的地震应力为大。竖直惯性荷载只对某些不对称的或双悬、单悬臂结构的桥梁产生较大的地震应力，因此在《公路工程抗震设计规范》中规定对框架桥、大跨径悬臂梁桥、T型刚构等桥型才计入竖向地震荷载的影响。在砂性土和软粘土地区，地震将使土的剪力大幅度降低，从而降低了土的承载能力，使墩台下沉和倾斜．特别是砂性土地区地下水极易从桩周夹带细砂从底层冒出地面，导致墩台大幅度下沉。构造地裂缝使桥台产生水平、竖宜、倾斜变形。这些变形均愿大幅度的变形，例如墩台变形有时可达210cm，这种变形将导致桥梁产生严重破坏。由于砂土液化．地基失效和岸坡滑移，亦将导致桥梁大幅度破坏乃至倒塌。岸坡在地震力作用下出现滑移，滑移土体对桥墩、桥台都产生了动土压力(台背在地震中产生的土压力，称为动土压力)这种移动动土压力不