混凝土簡支梁橋震害機(jī)理分析

高 昕

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

近幾年，全世界不同范圍內(nèi)強(qiáng)震多發(fā)，地震給人們所造成的生命財(cái)產(chǎn)問題也是不可小視的損失。由于簡支梁橋本身的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其具有上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大的特點(diǎn)，導(dǎo)致其很容易在災(zāi)害來臨后遭到不同程度的破壞。由此看來，如果想要把簡支梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的抗震設(shè)計(jì)做好是一件非常不容易的事情。就此結(jié)合四川汶川的地震災(zāi)害事件，從這些震害工程當(dāng)中汲取一些工程實(shí)踐當(dāng)中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，這對于以后的抗震救災(zāi)當(dāng)中的簡支梁橋工程的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的研究意義。

1 震害調(diào)查

1.1 震害調(diào)查

1.1.1 落梁

根據(jù)《公路簡支梁橋抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，鐵路梁端到橋墩的邊緣與蓋梁之間的距離不得小于（70+0.5 L）cm[1](L為跨長)。也有一些實(shí)際工程嘗試通過在梁端安裝連接梁裝置或通過工程結(jié)構(gòu)措施如將簡單支座改為連續(xù)系統(tǒng)改造來減少此類地震的破壞。從近年來的工程實(shí)踐來看，采取合理的防墜梁措施可以有效減少此類地震破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

1.1.2 支座破壞

承載是簡支梁橋結(jié)構(gòu)當(dāng)中一個(gè)非常重要的連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)具備足夠的平移、旋轉(zhuǎn)等能力。與其它部件相比較，支座更換的頻率較多，震后維修也更容易損壞到支座，由于更換次數(shù)的頻繁性，這往往就會(huì)造成人員對支座的抗震設(shè)計(jì)不夠重視。在軸承的設(shè)計(jì)中，有必要盡可能地保證力和活動(dòng)能力在地震力的作用下不受破壞，并根據(jù)需要盡可能地減少地震力造成的破壞[2]。

1.1.3 橋臺、橋墩損壞

在汶川地震中，攏海上游的奇峰大橋20個(gè)橋墩周圍出現(xiàn)了圓形水平連接裂縫，裂縫寬度為1～2 mm，橋墩距基底高度約為2～25 m。壓碎以及剪切破壞在一定程度上都屬于脆性的破壞,調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種損害的橋墩基本都是由于箍筋太薄,箍筋間距太大,造成簡支梁橋的縱向鋼筋發(fā)生屈服現(xiàn)象,且混凝土也易被壓碎,剪切破壞。這也提醒設(shè)計(jì)師在關(guān)注設(shè)計(jì)橋墩，對橋墩進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的配筋,在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)脑黾庸拷钪睆絒2]，降低箍筋間距，進(jìn)而可以很好的提升橋墩的延性性能,可有效的防止地震來臨橋墩發(fā)生脆性破壞。

1.1.4 梁的位移

簡支梁橋如果兩跨梁向同一方向移動(dòng)，梁體會(huì)發(fā)生碰撞而損壞梁體，如果縱向位移過大，梁體會(huì)脫離支座，嚴(yán)重的梁會(huì)倒塌。對于同跨度的多層梁，由于橫向連接結(jié)構(gòu)薄弱，橫向位移往往會(huì)破壞連接結(jié)構(gòu)，使其無法共同工作，橫向位移也往往會(huì)導(dǎo)致地震塊體的破壞。設(shè)計(jì)中,除了關(guān)注梁體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，還需要特別注意梁體的縱向以及橫向塊和連接結(jié)構(gòu)和一些其他的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。例如，可在簡支梁橋的塊與塊之間增加設(shè)計(jì)，添加木墊塊或阻尼橡膠進(jìn)而可有效的降低地震所造成的破壞現(xiàn)象。

1.1.5 其他震害

除了上述在地震期間損壞的簡支梁橋結(jié)構(gòu)類型以外，如果出現(xiàn)橋位差,以及梁基土的液化或者梁基土的斷層,就會(huì)導(dǎo)致簡支梁橋的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的移位現(xiàn)象,進(jìn)而造成簡支梁橋結(jié)構(gòu)的破壞,甚至更糟糕產(chǎn)生簡支梁橋的崩塌。這種地震災(zāi)害對于簡支梁橋結(jié)構(gòu)的破壞影響無疑是毀滅性的，且根本沒有方法進(jìn)行修復(fù)，在選擇線路時(shí)就需要設(shè)計(jì)師注意避免這種地質(zhì)災(zāi)害可能的發(fā)生。在無法避免的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)簡單的鐵路梁橋，采取深基礎(chǔ)、增加樁身配筋等工程措施，盡量減少地震破壞。

1.2 典型震害簡支梁橋分析

1.2.1 典型簡支梁橋的震害破壞

（1）壽江大橋

壽江大橋位于四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)的西部地帶，是四川岷江紫坪地區(qū)的交通樞紐，簡支梁橋全貌見圖1。

圖1 壽江大橋全貌Fig.1 Full view of Shoujiang Bridge

在汶川地震當(dāng)中發(fā)生了嚴(yán)重的毀壞，以此次壽江大橋斷裂的直接原因來看，因地震造成的破壞是極為明顯的。

（2）虹口高原大橋

始建于2005年5月，位于都江堰市虹口鄉(xiāng)的高原大橋，大橋整體橫跨白沙河，是陣前虹口鄉(xiāng)的主要交通樞紐，其全貌如下圖2。在汶川地震當(dāng)中受到了嚴(yán)重的破壞，此次地震無疑對簡支梁橋的破壞是致命性的，因地震造成的破壞與震區(qū)的其他大部分的梁橋情況有所不同，場地效應(yīng)所表現(xiàn)的破壞極為明顯，大橋地基與上部結(jié)構(gòu)因?yàn)榇嬖诹藰O為明顯的高度差，導(dǎo)致地震期間虹口高原大橋的整個(gè)橋面向右岸整體移位了1.8 m。主要震害有：因地震導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)失效，在上盤的擠壓作用下，使得地基產(chǎn)生了壓縮變形，造成兩岸橋臺之間的距離變短，軟體結(jié)構(gòu)發(fā)生了極為明顯的變形作用；同時(shí)因A1橋臺形成的裂縫，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)尾音，使得3#主梁出現(xiàn)落梁，并對3#橋墩施加了猛烈的撞擊力造成墩柱的嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象。

圖2 高原大橋全貌Fig.2 The complete picture of Plateau Bridge

2 簡支梁橋震害機(jī)理分析

2.1 地震的震害機(jī)理分析震后簡支梁主要震害及原因分析

損壞的道路簡支梁橋和鐵路簡支梁橋在一定的程度上有所區(qū)別，破壞位點(diǎn)也有區(qū)別的。

2.1.1 上部結(jié)構(gòu)的震害

（1）落梁：連續(xù)梁和鐵路梁落梁

由于簡支梁橋結(jié)構(gòu)是作為特殊的多點(diǎn)線性結(jié)構(gòu)而建的，所以在橋墩的各個(gè)點(diǎn)處都具有不盡相同的土質(zhì)，在地震發(fā)生以后，各個(gè)點(diǎn)就會(huì)受到震動(dòng)波的影響，導(dǎo)致輸入的地震動(dòng)有較大的差異，這就會(huì)造成梁體位移互不協(xié)調(diào)，且如果簡支梁橋的橋跨部分越長，影響也就越明顯。因?yàn)楹喼Я簶虻纳喜拷Y(jié)構(gòu)在地震當(dāng)中發(fā)生了較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)位移或者相鄰梁體之間發(fā)生猛烈的撞擊現(xiàn)象，就會(huì)致使簡支梁橋的支座、擋塊等限制簡支梁橋的一些裝置結(jié)構(gòu)發(fā)生功能上的失效，從而導(dǎo)致落梁發(fā)生（如圖3、圖4）。

圖3 落梁Fig.3 Falling beam

圖4 垮橋Fig.4 Bridge collapse

（2）梁體移位：支座滑動(dòng)和梁體滑移

在此次地震中有非常多的簡支梁簡支梁橋體縱、橫向移位或平移，雖然沒有發(fā)生落梁的破壞現(xiàn)象，但是其承載力卻嚴(yán)重減少，導(dǎo)致震后根本無法正常通行。圖5所示的古溪溝中橋，因此次的地震作用造成了非常嚴(yán)重的橫向位移和縱向位移，雖然殘留的縱向位移較小，但是兩岸橋臺的損壞是非常嚴(yán)重的，這種情況說明了主梁與橋臺在地震期間發(fā)生了猛烈的碰撞現(xiàn)象，從而造成了橋臺后傾，臺后填土發(fā)生垮塌，橋頭的臺板呈現(xiàn)懸空的形式。壽江大橋也發(fā)生了明顯的移位現(xiàn)象（如圖6），其上部結(jié)構(gòu)當(dāng)中的第2跨移位現(xiàn)象最為嚴(yán)重，其橫向移動(dòng)12 cm、縱向移動(dòng)15 cm，因梁體縱向位移對橋臺兩岸造成了嚴(yán)重的沖擊，從而造成橋臺發(fā)生傾斜、破碎、露筋，承載力嚴(yán)重降低的現(xiàn)象。

圖5 垮橋Fig.5 Bridge collapse

圖6 壽江大橋支座滑動(dòng)和梁體滑移Fig.6 Bearing slip and beam slip of Shoujiang Bridge

2.1.2 橋臺震害

（1）臺身開裂

在強(qiáng)大的震動(dòng)下，倆案橋臺發(fā)生相對移動(dòng)，各臺之間距離明顯減小，導(dǎo)致兩岸橋臺身被剪壞，喪失承載力。

（2）墩臺破壞：墩柱、節(jié)點(diǎn)和橋臺的破壞

簡支梁橋主梁與橋臺之間產(chǎn)生猛烈的撞擊現(xiàn)象，造成橋臺后面的填土被前墻擠壓破壞，使得臺后的填土塌陷，最后導(dǎo)致橋頭搭板的懸空、坍塌現(xiàn)象（如圖7）。

圖7 白水溪大簡支梁橋與擋塊之間的碰撞導(dǎo)致?lián)鯄K的破壞Fig.7 The collision between the Beam Bridge Bay and the retaining block resulted in the destruction of the retaining block

2.1.3 支座、擋塊等構(gòu)件震害

支座結(jié)構(gòu)的重要性在于聯(lián)系簡支梁橋上部與下部，在地震期間其功能表現(xiàn)的更加明顯，支座的存在有利于縱向水平力的傳遞以及梁體的自由變形[3]，且在地震期間起到了隔震作用。但是在簡支梁橋設(shè)計(jì)當(dāng)中，其也是一項(xiàng)薄弱的環(huán)節(jié)，支座的失效能夠造成梁體的位移、梁體之間的相互碰撞等問題。[4]以此次汶川地震來看，因支座與擋塊的構(gòu)造不足，在強(qiáng)烈的8級地震的作用下，就造成了梁體發(fā)生嚴(yán)重位移或較大變形，從而導(dǎo)致橋身發(fā)生傾斜、脫空等破壞現(xiàn)象（如圖8）。

圖8 白水溪大橋墩柱的破壞Fig.8 Pier column failure of Baishuixi Bridge

?

2.2 簡支梁橋的震害機(jī)理研究分析

（1）在公路方面的震害重

公路簡支梁橋橋墩、基礎(chǔ)的易碎性以及輸入大地震動(dòng)參數(shù)的實(shí)際情況，共同決定了公路簡支梁橋在地震的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的危害性。與之相比，橋墩和簡支梁橋基礎(chǔ)的特性造成其抗震性能的加強(qiáng)，再加上實(shí)際情況中輸入的小場地地震參數(shù)，因此，簡支梁橋在地震作用下的危害是相對較小的。

（2）地震損害具有明顯的指向性

在地震區(qū)域造成的了大量的道路和簡支梁橋破壞，位于地震災(zāi)區(qū)的廣元鐵路也沒有逃脫,斷裂帶幾乎平行于大高速公路和鐵路簡支梁橋，在高速公路上損失不是很嚴(yán)重,除了部分鐵路簡支梁橋支座損傷的情況下,對其余的部分不是很嚴(yán)重,因此,汶川大地震的地震災(zāi)害具有明顯的方向性。

3 震害防治措施

3.1 構(gòu)造措施

（1）強(qiáng)化箍筋在抗震中的作用

設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí),更強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的主要強(qiáng)化,比如箍筋的設(shè)計(jì),以及安排直徑間距太大,如在汶川地震中損害的百花橋墩,調(diào)查發(fā)現(xiàn)碼頭配置只有8 mm直徑,HRB 235鋼筋間距20 cm,在汶川地震當(dāng)中38個(gè)橋墩中有24個(gè)坍塌。結(jié)果表明，箍筋對結(jié)構(gòu)的抗剪性能、縱筋和核心混凝土的約束性能以及結(jié)構(gòu)延性的提高起著重要作用。塑性鉸在這里的使用,橋墩和基礎(chǔ)或連接過渡段與上層建筑可以有效地減少崩塌,剪切和其他脆性破壞,進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的延性。

（2）在簡支梁橋落梁處加強(qiáng)措施,防止落梁破壞

特別是對鐵路簡支梁橋,為了防止落梁破壞的發(fā)生,除了增加梁的長度支持,結(jié)構(gòu)也可以保證梁連接設(shè)備的安裝。從地震塊體等結(jié)構(gòu)的破壞來看，各部分的結(jié)構(gòu)措施有效的發(fā)揮了作用。不過應(yīng)注意這些裝置以及擋震、砌塊的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，應(yīng)明確這些結(jié)構(gòu)措施在小、中、大地震作用下的工作狀態(tài)，避免設(shè)計(jì)與施工的不一致性。不但要防止擋土墻過強(qiáng)對下部結(jié)構(gòu)的損壞，而且要防止擋土墻過弱對梁的作用下降，才能真正起到擋土墻的作用[5]。

3.2 在可研階段選擇合理的橋位和橋型

在可行性研究階段，主要解決簡支梁橋的位置、型式問題。由于當(dāng)前曲線橋使地震反應(yīng)變得更加復(fù)雜化，所以在簡支梁橋設(shè)計(jì)時(shí)軸線應(yīng)盡可能直。并且因?yàn)殍F路簡支梁橋非常容易就會(huì)發(fā)生落梁的現(xiàn)象，因此在鐵路簡支梁橋設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，橋面需要連續(xù)，并盡量減少使用伸縮縫、安裝一些防止墜梁的相關(guān)裝置、橋跨應(yīng)盡可能的布置成小跨距，橋臺、橋墩應(yīng)與橋的軸線垂直。

3.3 在施工圖設(shè)計(jì)階段，重視抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)、構(gòu)造措施和細(xì)節(jié)

在施工圖設(shè)計(jì)階段，主要解決結(jié)構(gòu)計(jì)算、設(shè)計(jì)的問題。這也是設(shè)計(jì)師必須注意的問題。從汶川地震中受損的簡支梁橋，[5]我們得到以下啟示：

（1）加大上部結(jié)構(gòu)的地震強(qiáng)化力度，因此我們必須加強(qiáng)梁措施，增加可以使用塊的厚度，塊和梁體之間設(shè)置的緩沖橡膠墊厚度不少于2.5 cm,最好使用不少于25個(gè)Φ二級鋼筋,箍筋使用Φ12次級強(qiáng)化。根據(jù)“小震、中震不壞、大震可壞”的設(shè)計(jì)原則來確定結(jié)構(gòu)尺寸。

（2）墩身箍筋、樁基等結(jié)構(gòu)建議

使用橋墩樁基鋼筋Φ12次級強(qiáng)化;建議對箍筋進(jìn)行加密，加密范圍為蓋梁下墩直徑的1倍、承臺上墩直徑的3倍、承臺下樁直徑的5倍。

（3）重視簡支梁橋剛度突變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系梁施工時(shí)最好與橋墩或樁基一次性澆筑，加強(qiáng)部分簡支梁橋系梁的完整性破壞和施工縫。

4 結(jié)論

以汶川地震當(dāng)中的簡支梁橋?yàn)槔?分析簡支梁橋的地震破壞現(xiàn)象,根據(jù)簡支梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對簡支梁橋抗震概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算設(shè)計(jì)和抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了分析,提出了鐵路梁橋在設(shè)計(jì)階段應(yīng)提倡抗震設(shè)計(jì)思想的補(bǔ)充點(diǎn)，指出了簡支梁橋抗震模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和減振隔振控制技術(shù)是簡支梁橋抗震設(shè)計(jì)的未來趨勢，結(jié)論如下:

（1）汶川地震對公路橋震害嚴(yán)重，簡支梁橋震害輕。針對汶川地震中簡支梁橋損傷具有明顯的方向性，在結(jié)構(gòu)措施中應(yīng)注意斷層的走向和薄弱部位的加強(qiáng)。山區(qū)簡支梁橋的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到地震后災(zāi)害（山體滑坡和崩塌）對河流和小溪沿岸簡支梁橋的影響。

（2）加強(qiáng)簡支梁橋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。注意橋的軸的方向,與此同時(shí),橋的軸在山里盡可能采取直接避免彎曲,選擇曲線橋,其跨度不應(yīng)太大,可以連續(xù)橋面沒有簡單的支持,碼頭不適合使用單一列,橋臺不適合平面曲線。重視抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對于連續(xù)梁的下部結(jié)構(gòu)，中央低墩的設(shè)計(jì)是十分必要的。加強(qiáng)橋墩、樁基箍筋設(shè)計(jì)、簡支梁橋剛度突變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)引起足夠的重視。

（3）對重要簡支梁橋進(jìn)行抗震安全評價(jià)，提高大跨簡支梁橋和重要簡支梁橋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（4）注重橋墩及其基礎(chǔ)的延性設(shè)計(jì)。

（5）改變傳統(tǒng)的“抗震設(shè)計(jì)”概念，樹立“隔震設(shè)計(jì)”的理念，對重要、特殊的簡支梁橋更有意義。