桥梁震害分析与抗震加固措施研究

2011-09-12赵子文何才山

四川建筑 2011年5期

赵子文，梁春，何才山

(1．中铁八局集团桥梁工程有限责任公司，四川成都610300;2．成都华铁国际储运有限公司，四川成都610300;3．兰州工业高等专科学校建筑工程系，甘肃兰州730050)

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇处，很多地区地震频繁，存在潜在的震灾。2008年发生了30多年来最为严重的四川汶川8级强地震，其影响范围大，震区的公用设施、房屋建筑、桥梁等均遭到巨大破坏，直接损失和间接损失均难以估量。地震虽过去了，但给铁路工程建设者敲响了警钟:在此次地震中，铁路设施虽经受了地震的考验，相对损失较小，但铁路桥梁的支座辊轴有不同程度的错位、墩台有相对的侧倾移位等。本文通过对铁路桥梁震害产生机理进行深入分析，总结出有效的抗震措施，推进了铁路桥梁设计理论、设计方法的发展。

1 震害机理分析及破坏形式

1.1 震害机理分析

分析桥梁震害及产生的原因是建立正确的抗震设计方法和采取有效的抗震措施的理论依据。大量的震害分析表明［1～3］，引起桥梁震害的主要因素有四个，如图1所示。

图1 桥梁震害因素

图1中地震强度引发的振动强度超过了抗震设计标准，这是无法预料的;桥梁场地对抗震不利而引起地基失效或地基变形;桥梁结构设计和施工错误属于人为因素;桥梁结构本身抗震能力不足。从结构抗震因素考虑，桥梁震害可分为地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。

1.1.1 地基失效引起的破坏

强烈的地震发生时，首先是场地和地基破坏，从而产生桥梁损坏并引发其他灾害。地震引发地基出现裂缝、滑坡、砂土液化、软土震陷等，进而丧失稳定性和承载力，促使桥梁结构受到破坏。强烈的地面震动是引发桥梁破坏的最主要原因，同时也是引发其他振动破坏的直接原因。尽量通过选择场地来避免此类破坏。

1.1.2 结构强烈振动引起的破坏

地震引起桥梁结构的振动，使结构内力和变形大幅度地增加，从而导致结构破坏甚至倒塌。主要原因有两方面:①结构设计的预期强度远小于遭遇的地震强度，结构无法抵御地震的破坏强度;②在桥梁结构设计及施工方法上存在缺陷，这是导致结构破坏的内因。由于地震的不确定性和复杂性，并且目前无法准确预测桥址可能发生的地震，因此对桥梁结构设计及施工方法的研究就显得特别重要。

1.2 震害破坏形式

地震时桥梁的破坏要比涵洞严重得多，桥梁震害的破坏形式主要有以下几种。

(1)桥梁中墩台基础沉陷不均，墩台顶或整个墩身产生横桥方向位移，均有可能影响列车运行;

(2)墩台发生移动或倾斜，墩台身发生剪切或剪切扭转、折断等;

(3)梁部结构的一端或全部落入河中，致使桥梁发生破坏。这种破坏的后果是很严重的;

(4)基础下沉、滑移、倾斜、断裂;桥台开裂、剪断;地基土液化，地基承载力降低;

(5)在拱桥中，拱上的局部建筑挤坏，腹拱与立柱联结处脱落，拱脚移位、开裂;

(6)支座脱落、倾倒，锚固螺栓拔出或剪断，滚轴脱离，销钉损坏等。

2 桥梁抗震设防原则及分析方法

2.1 抗震设防原则

桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，在经济与安全之间进行合理的权衡。GB 50111－2006《铁路工程抗震设计规范》的多级设防思想，明确了三级抗震设防原则(小震不坏、中震可修、大震不倒)。要求在小震(多遇地震)作用下，结构物不需修理，仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下，结构物无重大损坏，经修复后仍可继续使用;在大震(罕遇地震)作用下，结构物可能产生重大破坏，但不致倒塌。一般遵循以下原则:

(1)根据桥梁的重要性确定该结构的设计基准期;

(2)在确保多级设防标准的前提下，结构强度、延性变形等也要进行多级设防的抗震设计;

(3)结合地质、地形条件、震害经验和工程规模，合理选择桥梁结构、桩基和墩台形式;

(4)对于大跨度、高墩桥梁，必要时进行专题抗震分析研究。同时尽量用连续梁跨代替简支梁跨，以减少伸缩缝的数量;

(5)对桥梁结构抗震设计，在原有结构抗震性能分析的基础上，从设计角度应能提出更能适应地震作用的抗震结构型式，综合考虑结构的各相关因素。

2.2 抗震分析方法

由于地震作用的不确定性以及桥梁结构对地震反应的复杂性，桥梁抗震分析方法随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法的发展过程［4］。其中主要的分析方法有静力法、反应谱法、时程分析法及虚拟激励法等［5］。本文介绍工程常用的静力法和反应谱法。

早期结构抗震分析主要采用静力分析法。静力法假定桥梁结构与地震具有相同的振动，将结构在加速度作用下产生的惯性力视作静力作用于结构上的抗震计算，把地震加速度看作是结构地震破坏的单一因素，而忽略了结构的动力特性，因而有较大的局限性。由于静力法概念简单，计算公式简明，因而常用于刚度较大的桥梁和挡土结构的抗震计算中。

2.2.2 反应谱法

反应谱法考虑了地面运动和结构的动力特性，同时概念简单、计算方便，用较少的计算量可获得结构的最大反应值，在世界各国规范中作为一种基本的分析手段而得到广泛应用。

单自由度结构的地震振动方程可表示为:

式中:m、c、k分别为结构的质量、阻尼和刚度系数;δ¨g为地震时水平地面运动加速度;δ¨表示为位移向量对时间的两次偏导;δ为运动方向的位移向量。

将(1)式进一步表示成如下形式:

根据变频器所带泵机功率大小并且检测中间直流回路中的电流、电压值，并在其中串联合适的电容，储存多余的能量，可以提升回路承受过电压的能力，也可选用较大容量的变频器应对电网电压瞬时升高，但是要考虑变频器所带泵机的功率，以防造成资金上的浪费。

式中:ωd=为有阻尼圆频率。

多自由度的地震振动方程可采用有限元法得出其表达式:

式中:［M］、［C］、［K］分别是结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;{I}为惯性力指标向量。

若结构的自由度较高，式(4)一般采用振型叠加法求解。由于低阶振型比高阶振型更能反应地震振动运动，因此只需求解较低阶的振型叠加即可反应桥梁结构的地震反应情况。

在多方向地震动力作用下，利用反应谱法计算结构的地震反应时，还涉及到空间组合，即各个方向输入引起的地震反应组合。目前主要采用组合法有CQC(完全二次结合)和SRSS(平方和开平方)法。通常中小跨度桥梁采用SRSS法组合，大跨度桥梁用CQC法组合。

3 桥梁抗震加固措施

桥梁抗震加固的主要目的在于防止桥梁倒塌，其次是将遭受的破坏和损伤控制在一定的范围内［6］。地震时铁路桥梁受到的破坏主要是:桥头路堤及桥台背后填土沉陷;桥台向河心滑移导致桥梁结构损坏;支座位移倾倒、锚栓剪断等。同时由于桥梁结构系统的频率只与其结构本身的固有特性有关，如刚度、结构质量分布、组成形式。本文主要从桥梁总体设计与桥梁抗震构造方面考虑，采取相应措施。