地震作用下橋墩破壞機(jī)理及震后修復(fù)技術(shù)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

2008年5月12日四川省汶川縣發(fā)生了里式8級(jí)特大地震，造成大量人員傷亡，建筑、路橋大量損毀，其中很多橋梁是因?yàn)闃蚨掌茐膶?dǎo)致橋梁損毀，給災(zāi)后救援帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。研究橋墩在地震作用下的破壞機(jī)理以及災(zāi)后快速修復(fù)技術(shù)對(duì)災(zāi)后救援、運(yùn)輸有著重要的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。

二、橋墩的破壞形式

通過(guò)研究汶川地震橋墩的破壞形態(tài)，根據(jù)胡毅[1]的研究成果，可將橋墩的破壞形式大致分為彎剪破壞、彎曲破壞和剪切破壞，下面具體分析三種破壞形式。

(一)彎曲破壞

橋墩承載力由抗彎承載力和抗剪承載力相對(duì)大小決定，當(dāng)橋墩的抗剪承載力大，則橋墩承載力由抗彎性能決定，橋墩在地震作用下會(huì)發(fā)生彎曲破壞。對(duì)截面較小、剪跨比較大的橋墩，地震產(chǎn)生的反復(fù)水平荷載作用會(huì)在薄弱截面形成塑性鉸，該區(qū)域混凝土在地震作用下發(fā)生塑性變形消耗地震能量，所以在降低橋墩剛度的同時(shí)也降低了地震強(qiáng)度，從而避免橋梁發(fā)生彎曲脆性破壞。破壞過(guò)程表現(xiàn)如下：1.當(dāng)受力達(dá)到混凝土開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)，混凝土外表面會(huì)出現(xiàn)水平彎曲裂縫；2.隨著地震強(qiáng)度提高，水平彎曲裂縫繼續(xù)發(fā)展，鋼筋達(dá)到屈曲強(qiáng)度，墩底薄弱截面形成塑性鉸；3.塑性鉸區(qū)混凝土壓碎，縱筋嚴(yán)重屈曲，甚至出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。

(二)剪切破壞

橋墩承載力由抗彎承載力和抗剪承載力相對(duì)大小決定，當(dāng)橋墩的抗彎承載力大，則橋墩承載力由抗剪性能決定，橋墩在地震作用下就會(huì)發(fā)生剪切破壞。對(duì)截面較大、剪跨比較小的橋墩，當(dāng)配箍率偏低時(shí)，容易發(fā)生剪切脆性破壞，當(dāng)橋墩發(fā)生剪切破壞時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傾斜的剪切滑移裂縫。破壞過(guò)程表現(xiàn)如下：1.當(dāng)受力達(dá)到混凝土開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)，混凝土外表面會(huì)出現(xiàn)水平彎曲裂縫；2.隨著地震強(qiáng)度的提高，橋墩內(nèi)部出現(xiàn)斜向的剪切裂縫；3.斜向的剪切裂縫繼續(xù)發(fā)展、貫通，箍筋屈曲；4.荷載超過(guò)橋墩抗剪承載力，突然發(fā)生剪切破壞。

(三)彎剪破壞

彎剪破壞是因橋墩塑性鉸區(qū)的抗剪強(qiáng)度不足引起的破壞，其破壞形式既有彎曲破壞的特點(diǎn)，又有剪切破壞的特點(diǎn)。橋墩首先發(fā)生彎曲破壞形成塑性鉸，然后過(guò)大的軸力使混凝土壓潰，導(dǎo)致混凝土剝離脫落，截面面積的減少使得橋墩抗剪承載力減弱，最終導(dǎo)致剪切破壞。發(fā)生彎剪破壞的橋墩，破壞時(shí)其混凝土外表面同時(shí)出現(xiàn)彎曲裂縫和剪切裂縫，以剪切裂縫為主。破壞過(guò)程表現(xiàn)如下：1.拉力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，墩底會(huì)出現(xiàn)水平彎曲裂縫，并向側(cè)面斜向延伸;2.混凝土大面積開(kāi)裂，形成多組相互交叉的主斜裂縫;3.保護(hù)層混凝土脫落，墩底形成塑性鉸;4.受力繼續(xù)增加，塑性鉸區(qū)核心混凝土壓碎，縱筋屈曲，箍筋斷裂，因塑性鉸區(qū)抗剪不足，橋墩最終發(fā)生破壞。

三、橋墩的破壞機(jī)理

地震區(qū)的橋墩多為柱式鋼筋混凝土橋墩，其在地震作用下的破壞過(guò)程與混凝土裂縫的發(fā)展到破壞過(guò)程息息相關(guān)。

鋼筋混凝土橋墩在承受地震作用的過(guò)程中，其受力變形發(fā)展主要取決于混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展變化[2]?；炷林猩皾{與水泥石的粘結(jié)十分脆弱，在受力初期產(chǎn)生的混凝土裂縫主要是砂漿與水泥石之間的粘結(jié)裂縫，此時(shí)混凝土處于彈性階段，此階段為混凝土裂縫發(fā)展的穩(wěn)定階段。隨著內(nèi)力增加，粘結(jié)裂縫繼續(xù)發(fā)展，延伸到砂漿塊內(nèi)，此時(shí)混凝土裂縫尖端應(yīng)力集中，發(fā)生的塑性變形可以吸收地震能量，此時(shí)裂縫發(fā)展不如上一階段穩(wěn)定。在這一階段，鋼筋混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展延伸，并不意味著結(jié)構(gòu)抗剪能力的喪失，只是由原來(lái)的骨料與砂漿的粘結(jié)力抗剪變成為骨料間的機(jī)械咬合力與摩擦力抗剪[3]。

當(dāng)內(nèi)力增加到一定程度，骨料間機(jī)械咬合力或摩擦力已無(wú)法承擔(dān)剪力，在沒(méi)有布置箍筋的情況下，裂縫處會(huì)發(fā)生滑移，使得裂縫迅速延伸，貫通各個(gè)短裂縫。此時(shí)在裂縫里滾動(dòng)的骨料顆粒會(huì)加劇裂縫的滑移，這一階段為裂縫發(fā)展的不穩(wěn)定階段。在地震作用下，達(dá)到這一階段的混凝土橋墩基本上都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞。

地震作用下的橋墩往往受到的不是單方向的力，而是受到反復(fù)循環(huán)荷載的作用，此時(shí)進(jìn)入裂縫不穩(wěn)定發(fā)展階段的鋼筋混凝土橋墩就會(huì)因?yàn)槠诙l(fā)生破壞，此時(shí)混凝土強(qiáng)度低于靜力作用下的混凝土強(qiáng)度。

四、震后橋墩修復(fù)技術(shù)

(一)FRP材料套箍修復(fù)技術(shù)

FRP材料因?yàn)槠鋸?qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，使其在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛。在工程領(lǐng)域常用的FRP材料主要有碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)以及芳綸纖維(AFRP)。FRP材料套箍修復(fù)技術(shù)是用FRP材料沿縱向、橫向纏繞包裹損傷的橋墩，提高其抗彎、抗剪承載力以及延性[4]。沿橫向纏繞的FRP材料對(duì)橋墩起到套箍作用，阻止橋墩橫向變形，對(duì)核心混凝土起到約束作用，從而達(dá)到提高橋墩抗彎、抗剪承載力的目的[5]。

(二)鋼套管修復(fù)技術(shù)

鋼套管修復(fù)技術(shù)是在需修復(fù)的橋墩外套鋼管，并向空隙注入混凝土，形成對(duì)橋墩的橫向約束，從而提高了橋墩的抗剪、軸向承載力和延性。

(三)狗骨式桿替換屈曲縱筋修復(fù)技術(shù)

狗骨式桿可用來(lái)代替地震中拉斷或屈曲的縱筋受力。這項(xiàng)修復(fù)技術(shù)通過(guò)清理松散混凝土，用狗骨式桿代替拉斷或屈曲的縱筋受力，最后用混凝土填充，從而達(dá)到修復(fù)橋墩承載力的目的。

五、結(jié)語(yǔ)

1.概括了地震作用下橋墩的三種破壞形式，并描述了這三種形式的破壞過(guò)程。研究破壞過(guò)程發(fā)現(xiàn)，彎剪破壞屬于延性破壞，彎曲破壞、剪切破壞屬于脆性破壞，其破壞形式與橋墩的截面特性有關(guān)，為了避免出現(xiàn)脆性破壞，在設(shè)計(jì)時(shí)橋墩截面和剪跨比要合理。

2.橋墩的變形發(fā)展與混凝土的內(nèi)部裂縫的發(fā)展密切相關(guān)，通過(guò)描述混凝土裂縫發(fā)展過(guò)程，將裂縫發(fā)展分成三個(gè)階段，闡述了各個(gè)階段混凝土抗剪承載力的變化。對(duì)地震作用下受到反復(fù)循環(huán)力作用的橋墩，其鋼筋容易發(fā)生疲勞破壞。

3.總結(jié)了目前常用的三種橋墩修復(fù)技術(shù)，解釋了每種修復(fù)技術(shù)加固的原理。