浅谈铁路桥梁震害、抗震设计及抗震措施

刘　毅

摘要:文章从研究桥梁震害的角度出发,通过分析震害原因和震害现象,详细说明了地震灾害现象和桥梁震害的破坏形式,并从设计的角度进行了桥梁震害分析,还提出了在桥梁抗震设计中应遵循的一些设计原则和桥梁抗震的有效措施。

关键词:桥梁震害;抗震设计;抗震措施

中图分类号:U442文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)20-0091-02

地震是一种突发式的自然灾害,是地壳不断运动中的一种特殊表现。作为桥梁工程师,为使在地震区建造桥梁足够安全,减轻震害或便于修复,就要研究桥梁结构抗震,正确地进行抗震设计和采取相应的抗震措施。

一、名词解释

1.震级:一次地震的大小,以该地震中释放的能量多少来划分,这就是震级。

2.烈度:一个地区的地面及建筑物收到的破坏的程度来划分震动的强烈程度。

3.基本烈度:一个地区今后一定时期内在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。

4.设计烈度:抗震设计中采用的地震烈度,是在基本烈度的基础上按建筑物的重要性作适当调整后用于设计的烈度。

二、地震的影响

我国是一个地震多发国家,自古以来有记载的地震达8000多次,七级以上地震就有100多次,去年5·12四川汶川大地震更是造成了重大人员财产损失。在国内外历次大地震中,桥梁都有受破坏的记录。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,或是墩台倾斜,桩柱式墩的基桩折断,甚至墩倒梁落等;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。日本1964年7月新潟地震(M=7.5)时,昭和大桥(公路桥)因河床土层液化导致墩台基础大规模下沉而5孔落梁。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在地震中有塔柱折断,缆索破坏的记录。

三、地震对地面和工程结构物的破坏作用

地震对地面和工程结构物的破坏作用主要表现以下方面:一是地震导致岩面和地面的突然破裂和位移引起附近的或跨断层的建筑物的变形和破坏;二是地震引起岩体、土体的机械运动,如山崩、滑坡、泥石流等导致建筑物的破坏;三是地震引起土层的物理性能发生变化,使松散土层振密下沉,软土层发生流塑或使砂土液化,使上部结构的基础失去支持而产生下沉、倾斜或破坏;四是建筑物在地震的冲击下发生的振动对建筑物的破坏。

四、桥梁主要震害形式

由于受地震破坏作用影响,桥梁的震害主要表现有以下几方面:

1.桥跨结构的震害,最常见的是移位,此外是桥面起伏、扭转、钢轨弯曲等,最严重的是落梁。

2.支承部分的震害,主要是指锚栓变形、切断、拔出、辊轴支座倾覆、支座附近混凝土开裂或剥落。

3.桥台的震害。桥台的震害一般比桥墩多,引起震害的原因及其相应的震害有以下几种:(1)由于地基土液化,使桥台向河心滑移、下沉、倾斜、倾倒或台身断裂等;(2)由于台背动土压力,使桥台倾斜、倾倒、台身断裂等;(3)由于地震惯性力和梁端碰撞,胸墙被损坏;(4)台背填土(桥头路堤)大量下沉、翼墙倾斜或坍塌等。

4.桥墩的震害,主要是墩身下沉、倾斜及倾倒和墩身开裂、切断等。

5.基础的震害,主要表现是基础的整体移动、倾斜、下沉或桩身或沉井的开裂或断裂。

五、桥梁结构的抗震设计

近年来在多地震国家如日本、美国以及中国都积极开展桥梁结构的抗震研究并制定、颁布了和工程有关的抗震设计规范,如我国颁布的《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)和《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)。

1.地震区桥位和桥型选择。桥位应选择在对抗震有利的地段,从选线、定桥位、决定桥孔布置等方面尽可能避免选择在软弱黏性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段,特别是断层地段。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时,桥墩桥台应采用桩或沉井等深基础,桥长应适当增长,将桥台置于稳定的河岸上,桥墩基础要加强,在主河槽和河滩分界的地形突变处不宜设置桥墩。桥型要选择抗震性能好、整体性强的结构体系,如连续梁,无铰拱等。如著名的赵州桥,系单孔石拱桥,跨度37.37m,虽地处多地震区,建桥1300多年以来,经历史上两次大地震的考验,至今安然屹立。

2.设计烈度。根据大量震害调查的事实表明,在基本烈度7度以下,桥梁震害极为轻微,因此规范中规定桥梁结构抗震设防的一般起点为基本烈度7度,最高9度。7度以下,结构不必进行抗震设计,高于9度或有特殊抗震要求的新型结构要进行专门的抗震设计。《铁路工程抗震设计规范》规定:建筑物的设计烈度,除国家有特殊规定外,I、II、III级铁路和I级工企铁路应采用所在地区的基本烈度;II、III级工企铁路除桥梁支座、桥梁和棚洞的防止落梁设施应采用所在地区的基本烈度外,其他工程的设计烈度均应按基本烈度降低1度采用。

3.设计方法。对一般桥梁工程,可按规范所规定的简化方法进行结构抗震设计。我国规范是采用反应谱理论进行抗震设计,即根据设计烈度,以简便的地震荷载系数计算地震惯性力,作为地震荷载,然后以一般结构静力计算步骤求得结构最大内力和变位,使其控制在规范容许值的范围内来确保结构的抗震安全。对大跨度或特别重要的桥梁结构,应对结构进行地震动力分析(地震反应分析)。分析的方法一般是直接根据建桥地区在强震时地面运动的加速度记录,依照动力学的原理,应用电子计算技术,对结构作地震动力分析计算。对于已经建成的桥梁结构,如不满足现行规范抗震设防的要求,也可通过结构地震动力分析作进一步的抗震鉴定和决定最优加固方案。

4.抗震强度及稳定性验算。桥梁的抗震设计要根据安全和经济两方面统筹考虑,针对不同强度的地震采取不同的设计方法和要求。《铁路工程抗震设计规范》规定设计烈度为7度及7度以上时,要按规定进行抗震设计及验算,设计烈度高于9度或有特殊要求的建筑物及新型结构应进行专门研究设计。桥梁抗震验算的荷载组合为地震作用与恒载和活载的最不利组合。其中,恒载包括结构自重、土压力、静水压力及浮力,活载包括活载重力、离心力及列车活载产生的土压力。桥梁抗震强度及稳定性验算一般只需考虑水平地震荷载,并在顺桥和横桥两个方向分别进行计算,主要验算地基承载力、桥墩的水平地震荷载及内力、桥台的土压力和水平地震力等。

六、桥梁结构抗震措施

一般要求桥位应该选择在对抗震有利的场地,桥梁要结构合理和整体性好,并应保证良好的施工质量。根据《铁路桥梁抗震规范》,桥梁可采用的抗震措施主要如下:

1.桥位应选择在基本列度较低及河岸稳定和地基良好的地段。当难以避开液化土和软土地基时,桥梁中线应与河流正交。

2.桥式方案宜按等跨布置。桥墩应避免承受斜向土压力。桥台宜采用U形或T形桥台。不要把桥台布置在不稳定的河坡上。

3.注重桥梁所用材料的抗震性能,一般脆性材料(如石砌圬工,素混凝土)不如延性大的材料(如钢材,钢筋混凝土)抗震性能好。

4.无护面钢筋的混凝土桥墩桥台应减少施工缝,施工缝处必须设置接头钢筋,并采取措施保证接缝处混凝土的整体性。

5.采用明挖基础的桥台,当基底摩擦系数小于或等于0.25是,宜将基底换填厚度不小于0.5m的砂卵石,提高抗滑稳定性。

参考文献

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[2]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,1992.

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