公路橋梁震害分析及抗震加固方法

徐一卓 馬 蒿

0 引言

環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶是世界上的兩個(gè)主要地震帶,環(huán)太平洋地震帶是地球上最活躍的地震帶,集中了全世界80%以上的地震,釋放的能量占全球地震釋放總能量的75%。我國部分地區(qū)位于歐亞地震帶上,大部分地區(qū)夾在這兩大地震帶之間,是一個(gè)多地震的國家[1]。隨著社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,突發(fā)而至帶有巨大破壞力的地震已成為造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會問題的各種自然災(zāi)害之首。尤其是近幾年發(fā)生的如1995年日本兵庫縣南部地震、1999年中國臺灣集集地震以及2008年發(fā)生的汶川地震等,人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失非常慘重[2]。

瞬間發(fā)生的地震及其后續(xù)余震將可能造成地震的一、二、三次震害,形成災(zāi)害鏈。不僅地震災(zāi)害的巨大能量會造成大量地面建筑物和各種設(shè)施的破壞與倒塌,在次生災(zāi)害中因交通及其他設(shè)施的毀壞造成的間接經(jīng)濟(jì)損失也十分巨大。

1 橋梁震后檢測加固的必要性

公路交通是國民經(jīng)濟(jì)大動脈,也是抗震救災(zāi)生命線工程之一。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),橋梁較易發(fā)生破壞,通常修復(fù)時(shí)間較長,給震后救援及災(zāi)區(qū)重建工作帶來較大影響。保證橋梁在地震作用下以及地震后仍能通行,成為橋梁建設(shè)中的一個(gè)重要課題。

1.1 結(jié)構(gòu)破壞及規(guī)范要求

對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行震后檢測及加固技術(shù)的研究,其必要性來自兩個(gè)方面:首先是地震中的部分橋梁遭受嚴(yán)重破壞,需要進(jìn)行修復(fù)或加固;其次是隨著新規(guī)范的頒布執(zhí)行、設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和更新,許多按以前方法設(shè)計(jì)的或根本就沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的橋梁的抗震性能需要重新進(jìn)行評估。相當(dāng)數(shù)量的橋梁,尤其是早期修建的橋梁,由于資金短缺,設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)低,加上技術(shù)管理薄弱,施工質(zhì)量不能保證這些橋梁的使用壽命,有些很快就變成危橋;由于橋梁管護(hù)不善、大自然風(fēng)霜雨雪的侵蝕以及環(huán)境污染的日益加重,造成橋梁自身老化破損,衰老加快,壽命縮短。對這些橋梁,通過評估及有效的加固,力求能夠提高單個(gè)構(gòu)件以及整個(gè)橋梁體系的抗震性能,以滿足現(xiàn)存規(guī)范及交通提出的抗震設(shè)防要求。

1.2 地震特征的要求

通過對世界范圍內(nèi)歷次發(fā)生的地震特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),地震在空間上和時(shí)間上具有叢集的特征。在一定時(shí)間內(nèi),發(fā)生在同一震源區(qū)的一系列大小不同的地震,且其發(fā)震機(jī)制具有某種內(nèi)在聯(lián)系或有共同的發(fā)震構(gòu)造的一組地震總稱為地震序列。在地震序列中,震級最大的稱為主震,主震前的小震則稱為前震,主震后發(fā)生的地震稱為余震。強(qiáng)度等級高的地震,往往會伴隨著強(qiáng)余震的發(fā)生。

現(xiàn)行的國內(nèi)外抗震規(guī)范在確定地震載荷時(shí),只考慮了主震影響,沒有考慮地震序列中的強(qiáng)余震對結(jié)構(gòu)的抗震性能造成的影響,這對于結(jié)構(gòu)抗震來說既不安全也不全面[4]。如我國1976年發(fā)生的M7.8級唐山大地震中,主震后15 h內(nèi)發(fā)生了M6.8和M7.1級強(qiáng)余震各一次。灤河大橋在3:42發(fā)生的M7.8級主震中并未倒塌,而是在M7.1的強(qiáng)余震中發(fā)生橋墩折斷、橋梁落架、倒塌,當(dāng)時(shí)該橋正在忙于救災(zāi)運(yùn)輸。目前國內(nèi)外對地震序列作用下結(jié)構(gòu)物的破壞研究很少涉及。中國地震局地球物理研究所趙金寶以量化形式研究了建筑物相繼經(jīng)歷主震、余震作用下的破壞狀態(tài)[5]。然而,各類橋梁在余震中的抗震能力并沒有具體的研究,橋梁在震后的抗震能力評估與加固仍是保證結(jié)構(gòu)在地震中通行能力的有效措施。

2 抗震震害與加固的實(shí)施

抗震加固實(shí)施時(shí),必須了解橋梁的構(gòu)造特性與地震震害之間的關(guān)系。根據(jù)公路橋至今的震害實(shí)例分析結(jié)果,針對發(fā)生震害的主要原因提出相應(yīng)的措施,從而保證結(jié)構(gòu)在地震中的抗震能力。

2.1 橋梁的震害

1)上部結(jié)構(gòu)震害:上部結(jié)構(gòu)本身遭受震害而被毀壞的情形較為少見,往往是由于橋梁結(jié)構(gòu)其他部位的毀壞而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的損壞。如地震時(shí)相鄰梁體相互碰撞而引起的破損,因支座的螺栓起拔或剪斷引起撞擊而使變形過大等損傷。2)支座震害:地震中,橋梁支座的震害極為普遍。其原因主要是支座設(shè)計(jì)沒有充分考慮抗震的要求,構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足,某些支座形式和材料的缺陷等因素。破壞形式主要表現(xiàn)為支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落以及支座本身構(gòu)造上的破壞等。3)落梁震害:橋梁落梁有的是墩倒梁落,也有的是梁落而毀墩。其主要原因有:橋臺傾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、橋墩破壞、支座破壞、梁體碰撞、相鄰墩發(fā)生過大相對位移等。4)下部結(jié)構(gòu)和地基震害:下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁震后難以修復(fù)的主要原因。橋梁墩臺因砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或開裂引起破壞很難加強(qiáng)它們的抗震能力。

2.2 抗震加固措施

作為可能采取的震前對策,可以提出防止落梁的構(gòu)造、液化、沖刷、基礎(chǔ)施工方法、下部結(jié)構(gòu)形式、下部結(jié)構(gòu)材料、主筋減少部位、地震動加速度等方法,可針對各種震害提出相應(yīng)的抗震加固措施。

針對上部結(jié)構(gòu)及落梁震害,采用減、隔震支座在梁體與墩、臺的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應(yīng),利用橋墩在地震作用下發(fā)生彈塑性變形耗散地震能量以達(dá)到減震的目的。在伸縮縫、鉸和梁端等上部接縫處采用拉桿、擋塊、連梁裝置或者增加支承面寬度等措施,以防止落梁震害的發(fā)生。

針對支座及支撐連接件的震害,目前的做法是增加支承面寬度和在簡支的相鄰梁間安裝縱向約束裝置,或者增加支承面寬度。

對于下部結(jié)構(gòu)震害,應(yīng)通過能力設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì),提高其抗彎延性和抗剪強(qiáng)度,防止橋墩彎曲和剪切震害,增加其耗能能力,使橋梁的屈服只發(fā)生在預(yù)期的塑性鉸部位。目前橋墩加固的主要技術(shù)有:混凝土加大截面加固方法,鋼板外包加固法,鋼纖維混凝土加固法,復(fù)合材料、玻璃纖維、碳素纖維加固法等。對無筋混凝土結(jié)構(gòu),有可能產(chǎn)生脆性破壞,需要尋求結(jié)構(gòu)上的抗震加固對策?？刹捎没炷烈r套方法和鋼板襯套方法使襯套與既有的橋墩結(jié)合成一個(gè)整體。

3 結(jié)語

橋梁的抗震減災(zāi)涉及橋梁工程、地震、防災(zāi)減災(zāi)等多方面的研究,盡管我國橋梁抗震與加固的水平已有較大的提高,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。我國的橋梁抗震缺乏持之以恒的基礎(chǔ)性研究,對于公路橋梁抗震能力的評估和加固至今仍沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。哪些橋梁可能會在地震中損壞甚至倒塌仍然沒有清晰的概念。針對現(xiàn)狀,建議加強(qiáng)橋梁施工、控制技術(shù)與橋梁抗震加固新技術(shù)的研究,發(fā)展橋梁抗震的隨機(jī)分析方法,結(jié)合各種抗震措施補(bǔ)充結(jié)構(gòu)在控制方法上的不足。充分吸收國外已有的研究成果,針對我國橋梁的實(shí)際情況,開展必要的試驗(yàn)研究和理論分析工作。結(jié)合“小震不壞、中震可修、大震不倒”的分級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),盡快提高我國橋梁抗震加固的技術(shù)水平,確保公路工程各結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震安全度。

[1]趙榮國,李衛(wèi)平,張 虹.2005年地震災(zāi)害綜述[J].國際地震動態(tài),2006(1):20-23.

[2]謝 旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2006:3-14.

[3]李福萬.下承式系桿拱橋抗震性能分析[J].山西建筑,2008,34(21):296-297.

[4]周仕勇,許忠淮.地震序列研究綜述[J].中國地震,1999,15(3):267-277.

[5]丁文勝.下承式剛架系桿拱橋的抗震設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.