论述公路桥梁震害现象.doc

论述公路桥梁震害现象、原因及其经验教训
林昀昕，方鹏，陈亚钊
（福州大学土木工程专业路桥方向 051301614，051301605,051301604）
一.概述
地震经常发生，据统计全世界每年可达数百万次，但其中绝大多数是小地震，不为人们所感觉，只有极少量震级M(见地震烈度)在 5级以上的较强烈的地震会造成灾害，平均每年只有十多次。如中国1976年7月28日3时42分56秒在唐山丰南的强地震(M=7.8),该地区公路中等跨度简支梁桥的震害大都是摆柱式支座倾倒、固定支座齿板剪脱滑出，有的是墩台倾斜，桩柱式墩的基桩折断，甚至墩倒梁落(见图)；而柔性桩墩的双曲连续拱桥的震害多为主拱圈和拱上建筑的小拱圈严重开裂，个别有主拱圈拱起而严重破坏。该地区的铁路桥梁因桥墩基础较好，侧向刚度较强，震害严重程度比公路桥稍轻，如墩台沿施工接缝处开裂或被剪断，钢支座的锚固螺栓被拉出而移位，但落梁事故较少。在其他多地震国家如日本，桥梁震害也以中小跨度的桥梁为多。日本1964年7月新潟地震(M=7.5)时，昭和大桥因河床土层液化导致墩台基础大规模下沉而落梁。大跨度的悬索桥和斜张桥尚无因地震坠落的事例，但在日本一些轻便悬索桥有塔柱折断，缆索破坏的震害。在多地震国家如日本、美国都积极开展这类大跨度桥梁结构的抗震研究。中国也正在研究地震区天津市郊建造大跨预应力混凝土斜张桥的抗震性能。
二． 直接起因
①在强烈地震时，地形地貌产生剧烈的变化（如地裂、断层等），河流两岸地层向河心滑移等导致桥梁结构的破坏；
②地震时河床砂土液化，地基失效，桥梁墩台基础大量下沉或不均匀下沉引起的破坏；
③在地震惯性力作用下，导致桥梁结构某一部分产生的内力或变位超过结构构造和材料强度所能承受的限度，从而发生不同程度的破坏。
三.抗震措施
为防止或减轻震害，提高结构抗震能力，对结构构造所作的改善和加强处理，通常称为抗震措施。各国的工程结构抗震规范对此都有明确的规定。而具体的针对性减隔震措施有：1.阻尼器、锁定装置和缓冲器。利用了结构本身的延性或外加阻尼来消耗地震作用的能量，以减少桥梁的主要结构损失，这类技术在苏通长江大桥主桥上采用过。其中锁定装置对结构运动起到一种快速停止的作用，而阻尼器对结构运动起到耗能，衰减振动的作用，从而有效减震。2.各种减隔震支座。其中包括叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、钢耗能体系、回弹滑动支座、摩擦摆支座等等。支座的设置有效地对地震进行了缓冲。
地震具有突发性与毁灭性，一次地震，持续时间往往只有几十秒，却会造成巨大的生命财产损失，这是其它自然灾害无法相比的。历来是严重危害人类的大自然灾害，尤其是最近20年全球发生的许多次大地震，其中，多次破坏性地震都集中在城市，造成了非常惨重的生命财产损失。城市地震的共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线工程，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，对交通线的依赖性越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越大。数次大地震一再显示桥梁工程破坏的严重后果，也再次显示了桥梁工程抗震研究的重要性。
四．设计方法
　　4.1.静力法
　　早期结构抗震计算采用的是静力理论。静力计算理论假设结构物各个部分与地震动具有相同的振动。此时，结构物只受惯性力的作用（等于地面运动加速度乘以结构物质量）。即忽略地面运动特性与结构的动力特性因素，只是简单地把结构在地震时的动力反应看作是静止的地震惯性力。在地震惯性力的作用下分析结构的内力。1915年，佐野提出震度法即根据静力法的概念提出以结构的10%的重量作为水平地震荷载，于1923年关东大地震后的次年建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震分析方法。从动力学的角度分析，把地震加速度看作是结构破坏的单一因素有极大的局限性，因为它忽略了结构的动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本固有周期比地面卓越周期小很多时，结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而被当作刚体，静力法才能成立。由于其理论上的局限性，已较少使用，但其概念简单，计算公式简明扼要，在桥台和挡土结构等质量较大的刚性结构的抗震计算中仍常常用到。
　　4.2.弹性反应谱法
　　反应谱法是当前结构抗震设计中广泛使用的方法。反应谱法是采用“地震荷载”的概念，从地震动出发求结构的最大地震反应，但同时考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大的进步。反应谱是不同固有频率的单质点体系在一定阻尼系数的条件下输入不同地面运动后得到的位移反应、速度反应和加速度反应最大值的平滑处理过的外包络曲线。反应谱法用于抗震计算包括三个基本步骤：第一步是获得地震动反应谱；第二步是将结构振动方程进行振型分解，将物理位移用振型广义坐标表示，而广义坐标的最大值由第一步中所得反应谱求得；第三步是反应量的最大值可通过适当的方法将各振型反应最大值进行线性叠加，得出这项反应的最大值。
　　反应谱法概念简单，计算方便，可以用较小的计算量获得结构最大反应值。采用反应谱法只需取少数几个低阶振型就可以求得较为满意的结果，计算量少，且反应谱法将动力问题转化成拟静力问题，易为工程师所接受。采用反应谱法不能考虑多点激励，不能进行非线性地震反应分析。
　　4.3.时程分析法
　　动态时程分析法从选定合适的地震动输入出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程中结构每一瞬时的位移、速度和加速度反应，从而可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。这一计算过程相当冗繁，须借助专用计算程序完成。动态时程分析法可以精确地考虑地基和结构的相互作用，地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入，结构的各种复杂非线性因素（包括几何、材料、边界连接条件非线性）以及分块阻尼等问题，
　　建立结构动力计算图式和相应地震振动方程，使结构的非线性地震反应分析更趋于成熟与完善。
　　4.4.Push—over法
　　Push—over分析方法是将地震荷载等效成侧向荷载，通过对结构施加单调递增水平荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法，它研究结构在地震作用下进入塑性状态时的非线性性能。采用对结构施加呈一定分布的单调递增水平力的加载方式，用二维或伪三维力学模型代替原结构，按预先确定的水平荷载加载方式将结构“推”至一个给定的目标位移，来分析其进入非线性状态的反应，从而得到结构及构件的变形能力是否满足设计及使用功能的要求。尽管这一方法还有待进一步完善，但它基本可以满足工程要求。对于桥梁结构来说，Push over分析方法通常将相邻伸缩
　　缝之间的桥梁结构当做空间独立框架考虑，上部结构通常假定为刚性，分析的初始阶段是对单独的排架墩在所考虑的方向上（顺桥向或横桥向）进行独立的倒塌分析，以获得构件在单调递增水平荷载作用下的整个破坏过程和变形特征，从而发现桥梁结构的薄弱环节。
五．参考文献
《桥梁结构抗震设计 》 中国桥梁网