地震作用下桥墩破坏机理及震后修复技术

2019-03-28

福建质量管理 2019年10期

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400074)

一、引言

2008年5月12日四川省汶川县发生了里式8级特大地震，造成大量人员伤亡，建筑、路桥大量损毁，其中很多桥梁是因为桥墩破坏导致桥梁损毁，给灾后救援带来了前所未有的挑战。研究桥墩在地震作用下的破坏机理以及灾后快速修复技术对灾后救援、运输有着重要的经济意义和实用价值。

二、桥墩的破坏形式

通过研究汶川地震桥墩的破坏形态，根据胡毅[1]的研究成果，可将桥墩的破坏形式大致分为弯剪破坏、弯曲破坏和剪切破坏，下面具体分析三种破坏形式。

(一)弯曲破坏

桥墩承载力由抗弯承载力和抗剪承载力相对大小决定，当桥墩的抗剪承载力大，则桥墩承载力由抗弯性能决定，桥墩在地震作用下会发生弯曲破坏。对截面较小、剪跨比较大的桥墩，地震产生的反复水平荷载作用会在薄弱截面形成塑性铰，该区域混凝土在地震作用下发生塑性变形消耗地震能量，所以在降低桥墩刚度的同时也降低了地震强度，从而避免桥梁发生弯曲脆性破坏。破坏过程表现如下：1.当受力达到混凝土开裂强度时，混凝土外表面会出现水平弯曲裂缝；2.随着地震强度提高，水平弯曲裂缝继续发展，钢筋达到屈曲强度，墩底薄弱截面形成塑性铰；3.塑性铰区混凝土压碎，纵筋严重屈曲，甚至出现拉断现象。

(二)剪切破坏

桥墩承载力由抗弯承载力和抗剪承载力相对大小决定，当桥墩的抗弯承载力大，则桥墩承载力由抗剪性能决定，桥墩在地震作用下就会发生剪切破坏。对截面较大、剪跨比较小的桥墩，当配箍率偏低时，容易发生剪切脆性破坏，当桥墩发生剪切破坏时，会出现倾斜的剪切滑移裂缝。破坏过程表现如下：1.当受力达到混凝土开裂强度时，混凝土外表面会出现水平弯曲裂缝；2.随着地震强度的提高，桥墩内部出现斜向的剪切裂缝；3.斜向的剪切裂缝继续发展、贯通，箍筋屈曲；4.荷载超过桥墩抗剪承载力，突然发生剪切破坏。

(三)弯剪破坏

弯剪破坏是因桥墩塑性铰区的抗剪强度不足引起的破坏，其破坏形式既有弯曲破坏的特点，又有剪切破坏的特点。桥墩首先发生弯曲破坏形成塑性铰，然后过大的轴力使混凝土压溃，导致混凝土剥离脱落，截面面积的减少使得桥墩抗剪承载力减弱，最终导致剪切破坏。发生弯剪破坏的桥墩，破坏时其混凝土外表面同时出现弯曲裂缝和剪切裂缝，以剪切裂缝为主。破坏过程表现如下：1.拉力超过混凝土抗拉强度时，墩底会出现水平弯曲裂缝，并向侧面斜向延伸;2.混凝土大面积开裂，形成多组相互交叉的主斜裂缝;3.保护层混凝土脱落，墩底形成塑性铰;4.受力继续增加，塑性铰区核心混凝土压碎，纵筋屈曲，箍筋断裂，因塑性铰区抗剪不足，桥墩最终发生破坏。

三、桥墩的破坏机理

地震区的桥墩多为柱式钢筋混凝土桥墩，其在地震作用下的破坏过程与混凝土裂缝的发展到破坏过程息息相关。

钢筋混凝土桥墩在承受地震作用的过程中，其受力变形发展主要取决于混凝土内部裂缝的发展变化[2]。混凝土中砂浆与水泥石的粘结十分脆弱，在受力初期产生的混凝土裂缝主要是砂浆与水泥石之间的粘结裂缝，此时混凝土处于弹性阶段，此阶段为混凝土裂缝发展的稳定阶段。随着内力增加，粘结裂缝继续发展，延伸到砂浆块内，此时混凝土裂缝尖端应力集中，发生的塑性变形可以吸收地震能量，此时裂缝发展不如上一阶段稳定。在这一阶段，钢筋混凝土内部裂缝发展延伸，并不意味着结构抗剪能力的丧失，只是由原来的骨料与砂浆的粘结力抗剪变成为骨料间的机械咬合力与摩擦力抗剪[3]。

当内力增加到一定程度，骨料间机械咬合力或摩擦力已无法承担剪力，在没有布置箍筋的情况下，裂缝处会发生滑移，使得裂缝迅速延伸，贯通各个短裂缝。此时在裂缝里滚动的骨料颗粒会加剧裂缝的滑移，这一阶段为裂缝发展的不稳定阶段。在地震作用下，达到这一阶段的混凝土桥墩基本上都会发生严重破坏。

地震作用下的桥墩往往受到的不是单方向的力，而是受到反复循环荷载的作用，此时进入裂缝不稳定发展阶段的钢筋混凝土桥墩就会因为疲劳而发生破坏，此时混凝土强度低于静力作用下的混凝土强度。

四、震后桥墩修复技术

(一)FRP材料套箍修复技术

FRP材料因为其强度高、质量轻、耐腐蚀、性价比高等优点，使其在土木工程领域应用极其广泛。在工程领域常用的FRP材料主要有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)以及芳纶纤维(AFRP)。FRP材料套箍修复技术是用FRP材料沿纵向、横向缠绕包裹损伤的桥墩，提高其抗弯、抗剪承载力以及延性[4]。沿横向缠绕的FRP材料对桥墩起到套箍作用，阻止桥墩横向变形，对核心混凝土起到约束作用，从而达到提高桥墩抗弯、抗剪承载力的目的[5]。