汶川大地震中公路简支梁桥横向落梁现象的初步分析

2010-01-15王玮津

四川建筑 2010年6期

关键词：落梁简支梁桥挡块

王玮津,付威

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

汶川大地震中公路简支梁桥横向落梁现象的初步分析

王玮津,付威

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

“5·12”汶川大地震造成震中及周边地区桥梁设施大规模坍塌及损坏。文章针对地震造成的公路简支梁桥横向落梁现象初步研究了《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89中的有关规定;建立了相关的模型,做了初步分析;提出了相应的防治措施;并对该课题的进一步研究提出了设想。

地震; 简支梁桥; 横向落梁; 措施

汶川地处山区,此次大地震导致震中以及周边地区公路桥梁、公路交通设施及公路建筑物损毁严重。调查显示,公路桥梁多为简支梁桥,桥梁桥台损坏较少,墩柱常见剪切破坏和地基液化导致的不均匀沉降;落梁现象较多,未落梁部分梁体的横向移位也较严重。

公路桥梁作为交通干道的重要组成部分,其破坏往往给地震后的抢险救灾工作带来巨大的困难,加重次生灾害[1]。因此对公路桥梁的破坏进行分析,以及研究相应的有效抗震防护措施就显得尤为重要。本文仅对地震中,公路简支梁桥的横向落梁这一种破坏形式的成因及相应的防护措施进行初步分析。

1 地震对桥梁的破坏

地震对桥梁的破坏主要是由于地表破坏和桥梁受震破坏引起的。

1.1 地表破坏

地表破坏有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等现象。

地裂会造成桥梁跨度的缩短、伸长或墩台下沉等严重的桥跨和墩台变形,从而导致落梁。滑坡、塌方和岸坡滑移多发生在在陡峻山区或砂性土和软黏土河岸处,会直接导致桥梁墩台乃至整体破坏,从而引起落梁。砂土液化多发生在浅层的饱和疏松砂土处,致使墩台不均匀下沉,从而引起落梁。

图1 支座破坏

1.2 桥梁受震破坏

桥梁受震破坏是由于地震使桥梁产生水平面内的纵向、横向震动和竖向震动,造成桥梁的破坏。有些桥梁虽然在强度上能够承受地震的振动力,但由于梁体、支座与墩台间产生了过大的相对位移,因而导致桥梁破坏(图 1～图 3)。

图 2 落梁破坏、桥墩倾斜

图3 横向变位

桥梁受震破坏主要表现为:①桥台、桥墩倾斜、开裂、折断或下沉;②支座弯扭、断裂、倾倒或脱落;③桥梁上部结构和下部结构间相对位移;④落梁。

这四种破坏主要表现形式在桥梁震害中往往是以组合的方式出现的。其中,第三种形式与第四种形式间联系紧密。严格的说来,相对位移达到一定程度时,梁体就会从支座上掉落,即第三种形式的进一步发展就是第四种形式。

1.3 桥梁落梁及其原因

引起桥梁落梁的原因有很多。其一是桥梁墩台破坏,引起落梁。其二是支座破坏,引起上部结构从支承上脱落;或者梁与桥墩(台)的相对位移过大,支座丧失约束能力,引起落梁。其三是挡块的裂损引起落梁。此外,还有其他一些原因也会引起落梁,本文不再赘述。

本文仅讨论桥墩(台)等桥梁下部结构完整的情况下,因横向水平地震力导致梁体和支座间产生过大的相对位移,从而引起的横向落梁现象。

2 公路简支梁桥的结构与抗震要求

2.1 公路桥的结构

简支梁桥是一种在竖向移动式荷载作用下无水平反力的结构体系。震中及附近地区在地震中破坏的公路桥多为简支梁桥(图4)。

图4 简支梁桥示意

2.2 规范对公路简支梁桥的横向抗震要求

2.2.1 桥墩

按我国《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89(以下简称《规范》)第 4.2.2条进行公路简支梁桥桥墩的水平地震作用计算[4](图 5)。

图5 结构计算简图

《规范》中默认桥墩在横桥向水平地震荷载作用下为一阶振型,桥墩变形曲线如图 5所示。假设在此振型下墩顶的最大位移 X10=1。梁桥桥墩所承受的横桥向水平地震荷载按下列公式计算。

式中:Eihp为作用于梁桥桥墩质点 i的水平地震荷载(kN);Ci为重要性修正系数;Cz为综合影响系数;Kh为水平地震系数;β1为相应于桥墩顺桥向或横桥向的基本周期的动力放大系数;γ1为桥墩顺桥向或横桥向的基本振型参与系数;X1i为桥墩基本振型在第 i分段重心处的相对水平位移。

由上式可得,桥墩(台)顶部所受地震荷载:

2.2.2 桥台

按《规范》第 4.2.9条桥台的横向水平地震作用计算如下:

式中:Ehau为作用于台身重心处的水平地震作用力(kN);Gau为基础顶面以上台身的重力(kN)。

《规范》未作明确规定纵向及横向荷载的区别,在此默认为纵向与横向采用同一公式计算。规范上未给出结构计算简图,分析应类似于桥墩,在此不做赘述。

2.2.3 支座

按《规范》第 4.2.12条支座的横向水平地震作用计算如下:

式中:Ezb为作用于固定支座或活动支座上横桥向的水平地震荷载(kN);Gsp为上部结构重力(kN),对于简支梁桥为一孔上部结构重力的一半。

根据规范,取支座为研究对象,受力分析如图6。支座受到横桥向水平地震荷载 Ezb和与梁体间的摩擦力f。因为规范假设支座与桥墩间无相对位移,支座与桥墩视为一体,所以支座所受到的合力等于桥墩所受到的横桥向水平地震荷载F,即有F=F'-f。

因为f始终为正值,所以F恒大于F′,即桥墩受到的横桥向水平地震荷载恒大于支座受到的横桥向水平地震荷载。故在此假设支座受到与桥墩同样大小的横桥向水平地震荷载,取荷载的较大值偏于安全,也便于下文建模分析计算。

2.2.4 梁体

《规范》对梁体无具体条文。《规范》中第 4.1.3条的条文说明中明确指出:根据以往经验,凡按常规设计的简支梁桥上部构造,即使受到 9度甚至 10度地震的影响也基本上没有什么破坏,而仅在上、下部构造的连结部位发生比较轻微的震害。因此简支梁的上部构造可不进行抗震强度和稳定性的验算。

2.2.5 分析

《规范》中的上述条文,对桥墩受到地震荷载的横向水平位移有明确规定;默认为支座与桥墩为同一整体;对桥台的横向水平位移没有明确规定;对梁体不要求进行抗震强度和稳定性验算,默认当桥墩、桥台和支座均满足抗震要求时,梁体与支座间没有相对位移。

在此次汶川大地震中,在公路简支梁桥的桥墩(台)和支座均没有破坏的情况下,仍然有横向落梁现象发生,与《规范》所述有所不符。因此,有必要重新考虑此种情况,本文针对桥墩(台)和支座均完整的情况下,对梁体与支座间产生的横向水平相对位移进行初步分析,并提出相应的防治措施。

图6 结构计算简图

3 地震中公路简支梁桥横向落梁现象的初步分析

3.1 相关假设

为了简化计算模型,本文做出相关假设如下;

(1)因为本文仅研究公路简支梁桥的横向落梁,所以将地震力简化为只考虑横桥向水平地震力的影响,忽略顺桥向水平地震力和竖向地震力的影响。

(2)为了简化桥墩的计算模型,将桥墩视为刚体,只受到横桥向水平地震力的作用。由 2.2.2可得,为了简化桥台的计算模型,假设桥台与桥墩的计算模型相同。

(3)为了简化支座的受力,假设支座为刚体,不考虑支座的自身变形。假设支座与桥墩为同一刚体,二者间无相对位移;假设支座为各向同性材料,顺桥向与横桥向的摩擦系数相同(均为μ)。由 2.2.3节可得,为了简化支座的计算模型,假设桥墩受到的横桥向水平地震荷载等于支座受到的横桥向水平地震荷载。

(4)为了简化梁体的计算模型,假设每一片梁体完全相同。同理,假设每一个桥墩完全相同。

3.2 地震传力过程

随着地震的开始,横桥向水平地震荷载逐渐作用于桥墩上。在前面的假设中已默认桥墩和支座为一个整体,故认为支座所受到的横桥向水平地震荷载与桥墩相同。因为每一个桥墩完全相同,所以认为每一个桥墩所受到的横桥向水平地震荷载大小相同,方向可能相同也可能相反。

根据上述假设可以推出,同一片梁体的两个桥墩,所受到的横桥向水平地震荷载的组合情况有两种:第一种组合为两个桥墩受到大小相等,方向相同的地震荷载,墩顶的位移同时同向;第二种组合为两个桥墩受到大小相等,方向相反的地震荷载,墩顶的位移同时反向。

3.3 横向落梁分类

支座与梁体间有摩擦力,支座通过摩擦力将地震荷载传递给梁体。

随着地震的开始,在横桥向水平地震荷载的作用下,桥墩和支座开始产生位移,梁体在静摩擦力的作用下与支座一起做横桥向运动,梁体与支座间没有相对位移。

随着横桥向水平地震荷载的增加,桥墩与支座的位移逐渐增大。当横桥向水平地震荷载的大小达到梁体与支座间的最大静摩擦力大小时,梁体与支座就会产生相对位移。当相对位移达到一定大小时,梁体就会从支座上倾落,即落梁。

基于 3.2节中推出的结论——桥墩所受的地震荷载有两种组合,可以进一步推出支座传递给梁体的摩擦力也有两种组合,可以再进一步推出横向落梁现象也有两种(图7)。

图7 落梁示意图

现象一:同一片梁的两端均受到支座传来的一对大小相等、方向相同的摩擦力作用,梁体做平移运动,最后向横桥向的同一方向呈水平平移状落梁。

现象二:同一片梁两端均有受到一对大小相等、方向相反的摩擦力作用,梁体绕中点转动,最后成转角为 θ的水平转体状落梁。

3.4 模型分析

3.4.1 模型建立

由 3.2节、3.3节中假设和推导可知,两种落梁现象虽然不同,但是取一半梁体和每个支座作为研究对象时,受力分析是完全相同的。

假设每片梁体长度为 L,一半梁体重量为 G/2。支座质量为 m,宽度为b。建立模型如图 8所示。

3.4.2 受力及位移分析

如前所述,地震开始时,梁体与支座一起运动,此时桥墩与支座所受到的横桥向水平地震荷载F等于梁体所受的静摩擦力f,即F=f。随着横桥向水平地震荷载的增加,梁体与支座开始出现横桥向相对位移,此时F大于梁体与支座间的最大静摩擦力fj,即F>fj。出现相对位移后,梁体与支座间的摩擦力为滑动摩擦力fd,有fd=μ×(G/2)。理论上可知fj>fd。

图8 结构计算简图

3.4.3 横向落梁的极限条件

当梁体与支座间的横桥向相对位移ΔS超出半个支座宽度,即ΔS=b/2时,梁体就会从支座上掉下,即落梁。严格来讲,可能在ΔS还没有超出半个支座宽度时,梁体已失去平衡从支座上掉下。所以,应将半个支座宽度b/2乘以一个折减系数k,即发生横向落梁的极限条件为ΔS>b/2×k(k为折减系数,0

3.4.4 防止横向落梁的措施

为了防止公路简支梁桥的横向落梁,本文采用的是在梁体与支座发生横桥向水平相对位移的方向设置挡块,使梁体与支座间不产生横桥向相对位移;或产生不至于落梁的横桥向相对位移,便于震后修复将梁体移回原位,从而达到防止横向落梁的目的(图9)。

3.4.5 挡块受力计算

从 3.4.3节推导可得,当梁体与支座无相对位移时,挡块受力为最大值;当梁体与支座有相对位移时,挡块受力未达到最大值。为了简化计算,本文仅计算第一种情况——梁体与支座无相对位移时挡块受力的最大值。

挡块受力为最大值时,梁体与支座无相对位移,即 ΔS= 0。梁体位移S2应等于支座位移 S1,即 S2=S1。由假设可知,支座位移与墩顶位移Xl0相等,即S2=S1=Xl0。满足这一条件时,梁体受到的合外力与桥墩所受到的地震荷载大小相等。

图9 横向挡块示意

图 10 梁体受力分析简图

设挡块此时受到的外力为 Fx,取一半梁体作为受力分析的对象,受力分析如图 10所示,则有:

挡块的设计应根据Fx的大小来确定。挡块的设计受横桥向水平力应大于计算所得的Fx,严格来讲,等于Fx乘以一个安全系数k',即=Fx×k′(0

挡块的详细设计,如配筋等在此不做赘述。

4 挡块及其他防止横向落梁措施的特点

4.1 挡块及特点

桥梁防震挡块是最常见的防止横向落梁的装置之一。经调查,在汶川大地震中,桥梁防震挡块在一定程度上防止了横向落梁,但挡块自身受损严重。当挡块的受损达到一定程度时,横向防落梁的功能就会失效。因此,分析挡块的受损原因以及相应的解决措施是必要的。

经调查,这些挡块的受损通常发生在挡块与盖梁(台帽)的连接部位,受损的原因主要有三点:

(1)梁体与挡块发生横桥向的相对移动时,挡块受到撞击,同时与盖梁的连接处存在较强的剪切作用;

(2)部分挡块尺寸较小,配筋不足,挡块与盖梁之间钢筋连接考虑不足;

(3)桥梁在施工过程中处理不当,或设计不符合要求。

针对以上三点,为避免地震造成公路简支梁桥的横向落梁,从设计上来讲应优化挡块设计,避免因设计不当而造成的挡块裂损;从施工上来讲应注意相关工艺的处理。二者缺一不可。

4.2 其他防止横向落梁的措施及特点

其他防止横向落梁的装置还有很多,例如中铁二院工程集团有限责任公司设计的桥梁抗震连杆防落梁构造(申请号/专利号:200820223121)。它包括设置在相邻梁体之间和桥台与梁体之间的连杆装置,在桥梁全长方向上形成至少一联柔性连接体系,利用柔性连接体系在桥台与梁体、梁体与梁体之间建立起连接联系,降低地震对桥梁造成的横向落梁破坏,有效地起到防止横向落梁的作用。

另外,设置防止横向落梁装置的目的是为了限制上部结构与桥墩顶部的相对变形,这与隔振设计的原则有一定的冲突。因此,必须对这些防落梁构造措施所造成的隔震桥梁动力特性的影响进行深入研究[3]。