第二章 桥梁震害

第二章桥梁震害桥梁是生命线工程中的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。2.1震害影响及原因虽然桥梁震害现象早有发生，但人类正式记录的第一次桥梁震害却是发生在1906年美国旧金山大地震，在这次地震事件中，人们注意到了一座铁路桥梁的倒塌。在这之后，世界上又发生了多次对桥梁抗震设计影响重大的破坏性地震：如日本1923年关东地震，1948年福井地震；新西兰1929年默奇森地震和1931年内皮尔地震；美国1964年阿拉斯加地震；1971年圣·费尔南多地震；1976年中国唐山大地震；1994年美国北岭地震；1995年日本阪神地震等。地震对桥梁结构造成的破坏现象，系统地揭示出结构设计和施工中的缺陷，甚至是最微小的缺陷。因此，调查研究过去发生的破坏性地震中桥梁的震害现象，对于改进桥梁设计和施工方法都极具价值。对桥梁震害现象开展调查研究，从中总结和吸取经验教训，是桥梁抗震理论得以发展的一个重要手段。可以说，桥梁抗震设计的历史，也是人类对桥梁震害现象认识的历史。每一次大地震爆发后，人们总是可以从中发现大量的人为工程的破坏；地震造成的结构灾害，反过来又促进了对地震现象和工程抗震的研究工作。另一方面，工程界也从结构的破坏中，获取关于结构地震反应的极其宝贵的资料，从而对抗震设计理论和设计方法进行检讨、修正和发展，使结构抗震设计水平不断地得到提高。桥梁震害原因：场地运动引起的结构物振动（地震荷载以惯性力形式施加于结构）。场地相对位移产生的强制变形（支点强制变形的超静内力或过大的相对变位）。从历次破坏性地震中，通过调查总结发现，桥梁的震害现象可以归纳为以下几类：上部结构坠落支承连接件破坏桥台、桥墩破坏基础破坏其他震害现象2.2桥梁震害及类型桥梁的组成、分类和结构体系1.基本组成五大部件五小部件五大部件(从传递荷载功能划分)桥跨结构（上部结构）直接承担作用荷载桥墩、桥台、支座（下部结构）将上部结构的荷载传递到基础防止路堤滑塌传力、保证桥梁的自由变形基础将桥梁结构的荷载传递到地基桥梁上、下部结构组成部分示意图五小部件桥面铺装(行车道铺装)排水防水系统栏杆(或防撞护栏)伸缩缝灯光照明桥面部分一般构造图桥面铺装伸缩缝名词术语低水位：枯水季节的最低水位。高水位：洪水季节的最高水位。设计水位：按规定设计洪水频率算得的水位。通航水位：能保持船舶正常航行的水位。水位净跨径:梁桥：设计水位上相邻两个桥墩（或墩台）之间净距拱桥：两拱脚截面最低点之间的水平距离总跨径：各孔净跨径的总和，反映桥下泄洪能力计算跨径:梁桥：相邻两个支座中心之间的距离拱桥：相邻两拱脚截面形心点之间水平距离标准跨径:梁桥：相邻桥墩中心线或墩中心线至桥台台背前缘之间距离拱桥：即净跨径桥梁全长:两桥台侧墙或八字墙尾端间的距离（无桥台的桥梁为桥面系长度）跨径高度桥梁高度（桥高）：桥面与低水位或桥下线路路面间高差桥下净空高度：设计洪水位或通航水位至桥跨结构下缘距离建筑高度：行车路面至桥跨结构最下缘距离净矢高：拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点连线的垂直距离计算矢高：拱顶截面形心至相邻拱脚截面形心连线的垂直距离矢跨比（拱矢度）：拱圈/肋的计算矢高与计算跨径之比桥梁的分类1）按受力体系划分梁桥拱桥刚构桥（刚架桥）悬索桥（吊桥）组合体系桥梁桥南京长江大桥一孔128m，三联九孔各160m正桥总长1576m公、铁两用桥开封黄河大桥桥全长4475m108孔，其中77孔为跨径50m预应力T梁，余为20m公路桥平顺桥预应力混凝土连续弯梁桥山西平顺县3孔28＋35＋28m1990年建成梁桥小结主要承重构件：梁、板受力特点（竖向力作用）：主梁受弯矩、剪力，以弯为主。墩台只受竖向力，不产生水平反力。材料特点：抗弯能力强结构特点：简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥拱桥丹河大桥山西晋城石拱桥主跨146m桥全长413.17m马鸣溪金沙江大桥钢筋混凝土箱拱桥主跨150m1979年建成贵州花鱼洞桥桁架组合拱桥主跨150m1991年建成钢拱桥拱桥小结主要承重构件：拱圈、拱肋受力特点（竖向力作用）：墩台受竖向力、弯矩及水平推力，拱圈主要受压，也受弯矩和剪力。材料特点：抗压能力强结构特点：跨越能力大，造型美观，地基要求高，施工较难刚构桥（刚架桥）Schweden桥横跨维也纳多瑙河跨径55.4mMaas桥荷兰、跨径80.5＋112.5＋80.5m汉江桥陕西安康主跨176m全长542m1982年建成刚构桥小结主要承重构件：刚架结构受力特点（竖向力作用）：柱脚有水平反力、竖直反力和弯矩，梁部受弯为主，介于梁、拱之间。材料特点：钢筋混凝土、预应力钢混结构特点：跨中建筑高度可较小，适合采用悬臂法施工，但刚结点施工困难，易于开裂。悬索桥（吊桥）西藏达孜桥缆索直接锚于山体，是较少见的独塔悬索桥。香港青马大桥1997年建成通车，桥身总长度2200m，主跨长度1377m，离海面高62m，缆绳的直径1.1m，长16000km，创造了世界最长的公铁两用吊桥纪录。金门大桥跨径1280m1937年建成，位于美国旧金山保持世界记录27年亨伯尔桥HumberBridge跨径1410m1981年建成世界记录保持到1997年江阴长江大桥跨径1385m1999年建成明石海峡大桥建成于1998年，世界第一跨悬索桥，主跨1991m。抗风、抗震设计世界先进水平，建桥期间承受7.2级地震。悬索桥受力图示悬索桥小结主要承重构件：缆索受力特点（竖向力作用）：缆索只受拉力，锚碇受竖向力及水平推力。材料特点：高强钢丝束结构特点：自重轻，跨越力强，刚度差，变形及振动大组合体系桥之斜拉桥南汊桥南京长江二桥、主跨628m、2001年建成多多罗大桥建于1998年，日本塔高224m主跨长890m斜拉桥小结主要承重构件：主梁和拉索受力特点（竖向力作用）：斜拉索只受拉力主梁受弯材料特点：高强钢丝束结构特点：梁内弯矩、梁体尺寸和重量大大减少其它组合体系桥上部结构自身因直接的地震动力效应而毁坏的现象极为少见，但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从梁体下落的形式看，有顺桥向的、也有横桥向的和扭转滑移的，但统计数字表明，顺桥向的落梁占绝大多数,约占全部桥梁落梁总数的80-90%。梁端撞击桥墩侧壁，给下部结构带来很大的破坏，从而有可能造成更大的震害。2.2.1上部结构的震害1）上部结构自身震害，如钢结构的屈曲破坏。屈曲就是失稳,指一个构件还没有达到屈服时就丧失承载力。整体失稳：对于一个长细的压杆，当荷载还没有达到钢结构的屈服承载力时，压杆就进入不稳定状态，从而倒塌。局部失稳：比如压一个薄壁的圆筒，很容易看到整个筒没事，但是局部的钢板鼓出来或者凹进去，这算作局部失稳,或者叫做局部屈曲。2）上部结构的移位震害落梁梁与墩（台）位移过大梁的支撑长度不够支座破坏梁间碰撞落梁落梁上部结构的移位震害3）上部结构的碰撞震害下部结构失效，主要指桥墩和桥台失效。如果下部结构不能抵抗其自身的惯性力和由支座传递的上部结构的地震力，墩和台就会开裂甚至折断。在早期，桥墩往往不具备延性能力，因此一旦抗力不足，就会导致桥墩脆性破坏并很快失去承载能力。由于墩台失效，其支承的上部结构也将遭受严重的破坏。2.2.2下部结构的震害桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏；素混凝土也会因施工缝而产生断裂。震害的进一步发展，会导致断裂面上下的墩身移位，最终使断裂面以上的墩身翻落而酿成极大的震害。钢筋混凝土桥墩大量遭受严重破坏，是近期桥梁震害的一个特点。桥墩遭受破坏的内因，主要源于设计和构造两方面的缺陷，包括：􀂄设计抗弯强度不足􀂄设计抗剪强度不足􀂄构造缺陷地震引起的桥墩破坏RC桥墩在水平反复荷载作用下的破坏形式注：：结构弯曲承载能力：结构剪切承载能力弯剪破坏、剪切破坏由于结构变性能力、延性差，失去承载力后易倒塌，难以恢复，不希望出现。PbPsPbPsPbPs序号破坏形式破坏机理破坏现象特点1弯曲破坏损伤截面内形成塑性铰从回转变形至损伤破坏有较大变形幅度、弯曲裂缝2弯剪破坏弯曲损伤剪切铰下降剪切破坏变形能力有限脆性破坏弯曲裂缝、剪切裂缝3剪切破坏变形能力更有限脆性破坏斜方向剪切裂缝1）弯曲破坏开裂、水平弯曲裂缝受拉钢筋屈服混凝土保护层脱落、塑性铰范围扩大钢筋压屈（或拉断）,内部混凝土压碎、崩裂设计抗弯强度不足过去由于对桥墩地震破坏的认识不足，纵向钢筋往往在墩底搭接或焊接，桥墩的主筋通常未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效而弯曲破坏。还有一种情况，是设计地震力取值偏低造成的。由于设计地震力取值偏低，当与其它静力荷载效应组合时，计算弯矩图数值偏低，而且形状也不对，据此确定的桥墩反弯点位置偏差也很大，使所配纵向钢筋在桥墩中过早切断，造成桥墩在中间位置发生弯剪破坏。2）剪切破坏（弯剪破坏）开裂、水平弯曲裂缝斜向剪切裂缝箍筋屈服、剪切裂缝增长脆性裂切破坏②设计抗剪强度不足—过去设计的桥墩，其横向钢筋直径通常较小，间距也往往在30~50cm之间，显然不足于抵抗强烈地震动引起的横向剪力作用。③构造缺陷—构造缺陷主要包括：横向约束箍筋数量不足和间距过大，因而不足于约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲；纵向钢筋在墩底搭接或焊接；纵筋在桥墩中过早切断；纵向钢筋和横向箍筋锚固长度不足；箍筋端部没有作成弯钩等。2.2.3支承连接件破坏：桥梁支座、伸缩缝和剪力键等支承连接件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，支承连接件的震害现象都较普遍。支座破坏传递的上部结构惯性力支座的设计强度桥梁支座是桥梁抗震的薄弱部位，震害极为普遍。破坏形式主要表现为支座锚固螺栓拔出剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏。伸缩缝破坏在地震中，如果支承连接件不能承受上、下部结构的相对位移，支承连接件就可能失效。由于支承连接件失效，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移，如果没有受到其它约束，上部结构就可能与下部结构脱开，并导致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力，下部结构也将遭受严重的破坏。例如，在1975年海城地震和1976年唐山地震中，就有不少桥梁因支承连接件破坏引起落梁并最终导致结构倒塌的例子。1989年美国洛马·普里埃塔地震中旧金山—奥克兰海湾大桥一跨落梁。支承连接件失效的原因，主要是设计低估了相邻梁跨之间的相对位移。一般来说，桥梁相邻跨之间在未来随机发生的地震作用下的相对位移难于准确确定，因此支承连接件破坏有时是很难避免的；有证据表明，支承连接件破坏有时对整个结构反而有利。在实际设计中，需要着重考虑的是如何避免因支承连接件失效而导致的落梁现象。日美两国在这方面的实际作法是：一，规范规定支承连接部位的支承面宽度必须满足一定要求；二，规定在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置。2.2.4基础的震害地震引起地基的液化，使承载力下降，引起基础下沉。进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层水平滑移或转动。桥梁基础因周围地基崩塌通常最易发生在饱和松砂、软粘土以及粉砂土层层面呈倾斜的场合，或者有填土等情况。地基失效引起的桥梁结构破坏，在国外建于20世纪70年代以前的桥梁的震害现象中占有很大的比例。例如，在1964年美国阿拉斯加地震、1968年日本十胜冲地震、1970年新西兰马丹地震。我国1966年邢台地震、1975年海城地震和1976年唐山地震等等中，多数桥梁的破坏均源自于此。地基液化地基失效引起的桥梁结构破坏，有时是人力所不能避免的，因此在桥梁选址时就应该重视这个问题，并设法加以避免。比如，在桥梁选址时