橋梁震害分析與抗震加固措施研究

趙子文，梁 春，何才山

(1．中鐵八局集團(tuán)橋梁工程有限責(zé)任公司，四川成都610300;2．成都華鐵國際儲運有限公司，四川成都610300;3．蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校建筑工程系，甘肅蘭州730050)

我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯處，很多地區(qū)地震頻繁，存在潛在的震災(zāi)。2008年發(fā)生了30多年來最為嚴(yán)重的四川汶川8級強地震，其影響范圍大，震區(qū)的公用設(shè)施、房屋建筑、橋梁等均遭到巨大破壞，直接損失和間接損失均難以估量。地震雖過去了，但給鐵路工程建設(shè)者敲響了警鐘:在此次地震中，鐵路設(shè)施雖經(jīng)受了地震的考驗，相對損失較小，但鐵路橋梁的支座輥軸有不同程度的錯位、墩臺有相對的側(cè)傾移位等。本文通過對鐵路橋梁震害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入分析，總結(jié)出有效的抗震措施，推進(jìn)了鐵路橋梁設(shè)計理論、設(shè)計方法的發(fā)展。

1 震害機(jī)理分析及破壞形式

1.1 震害機(jī)理分析

分析橋梁震害及產(chǎn)生的原因是建立正確的抗震設(shè)計方法和采取有效的抗震措施的理論依據(jù)。大量的震害分析表明［1～3］，引起橋梁震害的主要因素有四個，如圖1所示。

圖1 橋梁震害因素

圖1中地震強度引發(fā)的振動強度超過了抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這是無法預(yù)料的;橋梁場地對抗震不利而引起地基失效或地基變形;橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工錯誤屬于人為因素;橋梁結(jié)構(gòu)本身抗震能力不足。從結(jié)構(gòu)抗震因素考慮，橋梁震害可分為地基失效引起的破壞和結(jié)構(gòu)強烈振動引起的破壞。

1.1.1 地基失效引起的破壞

強烈的地震發(fā)生時，首先是場地和地基破壞，從而產(chǎn)生橋梁損壞并引發(fā)其他災(zāi)害。地震引發(fā)地基出現(xiàn)裂縫、滑坡、砂土液化、軟土震陷等，進(jìn)而喪失穩(wěn)定性和承載力，促使橋梁結(jié)構(gòu)受到破壞。強烈的地面震動是引發(fā)橋梁破壞的最主要原因，同時也是引發(fā)其他振動破壞的直接原因。盡量通過選擇場地來避免此類破壞。

1.1.2 結(jié)構(gòu)強烈振動引起的破壞

地震引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形大幅度地增加，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。主要原因有兩方面:①結(jié)構(gòu)設(shè)計的預(yù)期強度遠(yuǎn)小于遭遇的地震強度，結(jié)構(gòu)無法抵御地震的破壞強度;②在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方法上存在缺陷，這是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的內(nèi)因。由于地震的不確定性和復(fù)雜性，并且目前無法準(zhǔn)確預(yù)測橋址可能發(fā)生的地震，因此對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方法的研究就顯得特別重要。

1.2 震害破壞形式

地震時橋梁的破壞要比涵洞嚴(yán)重得多，橋梁震害的破壞形式主要有以下幾種。

(1)橋梁中墩臺基礎(chǔ)沉陷不均，墩臺頂或整個墩身產(chǎn)生橫橋方向位移，均有可能影響列車運行;

(2)墩臺發(fā)生移動或傾斜，墩臺身發(fā)生剪切或剪切扭轉(zhuǎn)、折斷等;

(3)梁部結(jié)構(gòu)的一端或全部落入河中，致使橋梁發(fā)生破壞。這種破壞的后果是很嚴(yán)重的;

(4)基礎(chǔ)下沉、滑移、傾斜、斷裂;橋臺開裂、剪斷;地基土液化，地基承載力降低;

(5)在拱橋中，拱上的局部建筑擠壞，腹拱與立柱聯(lián)結(jié)處脫落，拱腳移位、開裂;

(6)支座脫落、傾倒，錨固螺栓拔出或剪斷，滾軸脫離，銷釘損壞等。

2 橋梁抗震設(shè)防原則及分析方法

2.1 抗震設(shè)防原則

橋梁抗震的目標(biāo)是減輕橋梁工程的地震破壞，在經(jīng)濟(jì)與安全之間進(jìn)行合理的權(quán)衡。GB 50111－2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的多級設(shè)防思想，明確了三級抗震設(shè)防原則(小震不壞、中震可修、大震不倒)。要求在小震(多遇地震)作用下，結(jié)構(gòu)物不需修理，仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下，結(jié)構(gòu)物無重大損壞，經(jīng)修復(fù)后仍可繼續(xù)使用;在大震(罕遇地震)作用下，結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生重大破壞，但不致倒塌。一般遵循以下原則:

(1)根據(jù)橋梁的重要性確定該結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期;

(2)在確保多級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的前提下，結(jié)構(gòu)強度、延性變形等也要進(jìn)行多級設(shè)防的抗震設(shè)計;

(3)結(jié)合地質(zhì)、地形條件、震害經(jīng)驗和工程規(guī)模，合理選擇橋梁結(jié)構(gòu)、樁基和墩臺形式;

(4)對于大跨度、高墩橋梁，必要時進(jìn)行專題抗震分析研究。同時盡量用連續(xù)梁跨代替簡支梁跨，以減少伸縮縫的數(shù)量;

(5)對橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，在原有結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基礎(chǔ)上，從設(shè)計角度應(yīng)能提出更能適應(yīng)地震作用的抗震結(jié)構(gòu)型式，綜合考慮結(jié)構(gòu)的各相關(guān)因素。

2.2 抗震分析方法

由于地震作用的不確定性以及橋梁結(jié)構(gòu)對地震反應(yīng)的復(fù)雜性，橋梁抗震分析方法隨著地震災(zāi)害的不斷發(fā)生經(jīng)歷了從靜力法到動力法的發(fā)展過程［4］。其中主要的分析方法有靜力法、反應(yīng)譜法、時程分析法及虛擬激勵法等［5］。本文介紹工程常用的靜力法和反應(yīng)譜法。

早期結(jié)構(gòu)抗震分析主要采用靜力分析法。靜力法假定橋梁結(jié)構(gòu)與地震具有相同的振動，將結(jié)構(gòu)在加速度作用下產(chǎn)生的慣性力視作靜力作用于結(jié)構(gòu)上的抗震計算，把地震加速度看作是結(jié)構(gòu)地震破壞的單一因素，而忽略了結(jié)構(gòu)的動力特性，因而有較大的局限性。由于靜力法概念簡單，計算公式簡明，因而常用于剛度較大的橋梁和擋土結(jié)構(gòu)的抗震計算中。

2.2.2 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜法考慮了地面運動和結(jié)構(gòu)的動力特性，同時概念簡單、計算方便，用較少的計算量可獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值，在世界各國規(guī)范中作為一種基本的分析手段而得到廣泛應(yīng)用。

單自由度結(jié)構(gòu)的地震振動方程可表示為:

式中:m、c、k分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度系數(shù);δ¨g為地震時水平地面運動加速度;δ¨表示為位移向量對時間的兩次偏導(dǎo);δ為運動方向的位移向量。

將(1)式進(jìn)一步表示成如下形式:

根據(jù)變頻器所帶泵機(jī)功率大小并且檢測中間直流回路中的電流、電壓值，并在其中串聯(lián)合適的電容，儲存多余的能量，可以提升回路承受過電壓的能力，也可選用較大容量的變頻器應(yīng)對電網(wǎng)電壓瞬時升高，但是要考慮變頻器所帶泵機(jī)的功率，以防造成資金上的浪費。

式中:ωd=為有阻尼圓頻率。

多自由度的地震振動方程可采用有限元法得出其表達(dá)式:

式中:［M］、［C］、［K］分別是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{I}為慣性力指標(biāo)向量。

若結(jié)構(gòu)的自由度較高，式(4)一般采用振型疊加法求解。由于低階振型比高階振型更能反應(yīng)地震振動運動，因此只需求解較低階的振型疊加即可反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)情況。

在多方向地震動力作用下，利用反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時，還涉及到空間組合，即各個方向輸入引起的地震反應(yīng)組合。目前主要采用組合法有CQC(完全二次結(jié)合)和SRSS(平方和開平方)法。通常中小跨度橋梁采用SRSS法組合，大跨度橋梁用CQC法組合。

3 橋梁抗震加固措施

橋梁抗震加固的主要目的在于防止橋梁倒塌，其次是將遭受的破壞和損傷控制在一定的范圍內(nèi)［6］。地震時鐵路橋梁受到的破壞主要是:橋頭路堤及橋臺背后填土沉陷;橋臺向河心滑移導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞;支座位移傾倒、錨栓剪斷等。同時由于橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻率只與其結(jié)構(gòu)本身的固有特性有關(guān)，如剛度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布、組成形式。本文主要從橋梁總體設(shè)計與橋梁抗震構(gòu)造方面考慮，采取相應(yīng)措施。

3.1 總體設(shè)計中考慮的因素

(1)橋位地質(zhì)條件較好，盡可能避開易液化土層、斷層破碎帶、不穩(wěn)定的懸崖和易塌陷的地下空洞等地區(qū)。通常選擇在巖石層地帶或密實粘土層等地基良好、河岸穩(wěn)定的地段;

(2)盡量采用較深的樁基或沉井基礎(chǔ)，避免明挖淺基。同時為了防止橋臺向河心滑移，應(yīng)適當(dāng)加長橋孔，使橋臺設(shè)置在比較穩(wěn)定的河巖上;

(3)由于支座直接承受梁部縱向地震，且屬于橋梁抗震中的薄弱部位，應(yīng)根據(jù)抗震要求，采取有效措施予以加強;

(4)高墩盡可能采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并按延性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計計算。同時對地震區(qū)混凝土橋墩、墩身應(yīng)設(shè)置護(hù)面鋼筋［7］;

(5)兩片式分開的鋼筋混凝土梁用螺栓將兩片梁聯(lián)結(jié)起來，以增強橫向整體性。

3.2 橋梁抗震構(gòu)造措施

(1)為了減小地震力和橋梁自身結(jié)構(gòu)的影響，橋梁的梁部應(yīng)采用自重輕、重心低、剛度均勻的結(jié)構(gòu)。同時為了提高橋梁各部件的抗震能力，可采用加強各部件的聯(lián)結(jié)，如加強支座和其錨螺栓或設(shè)置擋塊，對固定支座而采用橡膠結(jié)構(gòu)的橋梁，需設(shè)置短擋軌或防移槽鋼;

(2)對于大跨、高墩橋梁，通過加大頂帽順橋方向的尺寸或在梁兩端的橫隔板處，用螺栓聯(lián)結(jié)起來，以防在順橋方向產(chǎn)生較大的位移;

(3)在高烈度區(qū)的橋梁設(shè)計中可采用一定的抗震消能裝置，如采用減、隔振支座的橡膠支座，不僅在地震時增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以吸收部分震動能，緩和地震時的振動與沖擊，而且具有材料來源充足、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。橋梁結(jié)構(gòu)上宜采用規(guī)則性好的一體化結(jié)構(gòu)體系， 同時力求結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和幾何尺寸均勻、規(guī)則等特性;

(4)震區(qū)橋梁設(shè)計力求結(jié)構(gòu)簡單，且橋梁結(jié)構(gòu)采用跨度相等?？缍炔痪鶆蚧蚨丈韯偠炔幌嗟葮O易發(fā)生震害，墩臺盡量避免設(shè)計成帶孔的，盡量避免有突變部分，以減少應(yīng)力集中;同時為了避免墩柱承受過大的軸向力，橋跨不宜太長;

(5)連續(xù)橋梁宜采用上部構(gòu)造產(chǎn)生水平地震載荷，并由各個墩臺共同承擔(dān)，以免固定支座受力過大。同時連續(xù)曲梁的邊數(shù)和上部構(gòu)造之間宜采用錨栓連接，防止邊墩與梁脫離。

4 結(jié)束語

雖然目前還沒有精確預(yù)測地震的方法，但通過地震對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞規(guī)律的分析研究，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)上的合理性，可以給出橋梁抗震的方案選擇原則。本文通過對橋梁震害的分析，提出了合理的抗震措施，為我國現(xiàn)役橋梁的抗震提供一定的參考和借鑒。

［1］ 李龍安．地震災(zāi)害對鐵路橋梁的影響及其抗震設(shè)計與減隔震控制研究［J］．西南公路，2010(2):12－21

［2］ 葉愛君．橋梁抗震［M］．北京:人民交通出版社，2002:14－18

［3］ 周香平．淺談橋梁的抗震設(shè)計與措施［J］．黑龍江交通科技，2010(7):135－136

［4］ 王克海，李茜．橋梁抗震的研究進(jìn)展［J］．工程力學(xué)，2007，24(S2):75－82

［5］ 藺鵬臻，劉世忠．橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析［M］．北京:科學(xué)出版社，2008:106－120

［6］ 王利輝，杜修力，韓強，等．橋梁抗震加固方法評述［J］．工程抗震與加固改造，2009，31(6):79－82

［7］ 鐵道部第四勘測設(shè)計院．鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:橋梁墩臺［M］．北京:中國鐵道出版社，1997