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)強震多發(fā),地震給人們所造成的生命財產(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,其具有上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大的特點,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)計當(dāng)中的抗震設(shè)計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)中汲取一些工程實踐當(dāng)中的經(jīng)驗與教訓(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)計有一定的研究意義。
1.1.1 落梁
根據(jù)《公路簡支梁橋抗震設(shè)計規(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,這往往就會造成人員對支座的抗震設(shè)計不夠重視。在軸承的設(shè)計中,有必要盡可能地保證力和活動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)計師在關(guān)注設(shè)計橋墩,對橋墩進行抗震加固設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)實際情況,設(shè)計一個合理的配筋,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,梁體會發(fā)生碰撞而損壞梁體,如果縱向位移過大,梁體會脫離支座,嚴重的梁會倒塌。對于同跨度的多層梁,由于橫向連接結(jié)構(gòu)薄弱,橫向位移往往會破壞連接結(jié)構(gòu),使其無法共同工作,橫向位移也往往會導(dǎo)致地震塊體的破壞。設(shè)計中,除了關(guān)注梁體的強度設(shè)計,還需要特別注意梁體的縱向以及橫向塊和連接結(jié)構(gòu)和一些其他的細節(jié)設(shè)計。例如,可在簡支梁橋的塊與塊之間增加設(shè)計,添加木墊塊或阻尼橡膠進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,且根本沒有方法進行修復(fù),在選擇線路時就需要設(shè)計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。
1.2.1 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)因為存在了極為明顯的高度差,導(dǎo)致地震期間虹口高原大橋的整個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
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)是作為特殊的多點線性結(jié)構(gòu)而建的,所以在橋墩的各個點處都具有不盡相同的土質(zhì),在地震發(fā)生以后,各個點就會受到震動波的影響,導(dǎo)致輸入的地震動有較大的差異,這就會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。因為簡支梁橋的上部結(jié)構(gòu)在地震當(dāng)中發(fā)生了較強的結(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)象最為嚴重,其橫向移動12 cm、縱向移動15 cm,因梁體縱向位移對橋臺兩岸造成了嚴重的沖擊,從而造成橋臺發(fā)生傾斜、破碎、露筋,承載力嚴重降低的現(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
在強大的震動下,倆案橋臺發(fā)生相對移動,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)計當(dāng)中,其也是一項薄弱的環(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,在強烈的8級地震的作用下,就造成了梁體發(fā)生嚴重位移或較大變形,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
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(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參數(shù)的實際情況,共同決定了公路簡支梁橋在地震的作用下會產(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,再加上實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重,因此,汶川大地震的地震災(zāi)害具有明顯的方向性。
(1)強化箍筋在抗震中的作用
設(shè)計師在設(shè)計時,更強調(diào)設(shè)計的主要強化,比如箍筋的設(shè)計,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個橋墩中有24個坍塌。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,進而提高結(jié)構(gòu)的延性。
(2)在簡支梁橋落梁處加強措施,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、砌塊的強度設(shè)計,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)計與施工的不一致性。不但要防止擋土墻過強對下部結(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]。
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)計時軸線應(yīng)盡可能直。并且因為鐵路簡支梁橋非常容易就會發(fā)生落梁的現(xiàn)象,因此在鐵路簡支梁橋設(shè)計的過程當(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。
在施工圖設(shè)計階段,主要解決結(jié)構(gòu)計算、設(shè)計的問題。這也是設(shè)計師必須注意的問題。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)的地震強化力度,因此我們必須加強梁措施,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Φ二級鋼筋,箍筋使用Φ12次級強化。根據(jù)“小震、中震不壞、大震可壞”的設(shè)計原則來確定結(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次級強化;建議對箍筋進行加密,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
系梁施工時最好與橋墩或樁基一次性澆筑,加強部分簡支梁橋系梁的完整性破壞和施工縫。
以汶川地震當(dāng)中的簡支梁橋為例,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,對簡支梁橋抗震概念設(shè)計、抗震計算設(shè)計和抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計三個方面進行了分析,提出了鐵路梁橋在設(shè)計階段應(yīng)提倡抗震設(shè)計思想的補充點,指出了簡支梁橋抗震模擬計算的準確性和減振隔振控制技術(shù)是簡支梁橋抗震設(shè)計的未來趨勢,結(jié)論如下:
(1)汶川地震對公路橋震害嚴重,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。山區(qū)簡支梁橋的設(shè)計應(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)加強簡支梁橋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。注意橋的軸的方向,與此同時,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。對于連續(xù)梁的下部結(jié)構(gòu),中央低墩的設(shè)計是十分必要的。加強橋墩、樁基箍筋設(shè)計、簡支梁橋剛度突變的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)引起足夠的重視。
(3)對重要簡支梁橋進行抗震安全評價,提高大跨簡支梁橋和重要簡支梁橋的抗震設(shè)防標準。
(4)注重橋墩及其基礎(chǔ)的延性設(shè)計。
(5)改變傳統(tǒng)的“抗震設(shè)計”概念,樹立“隔震設(shè)計”的理念,對重要、特殊的簡支梁橋更有意義。