第二章桥梁震害ppt课件.ppt

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1、第二章 桥梁震害,桥梁是生命线工程中的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。,2.1 震害影响及原因,虽然桥梁震害现象早有发生，但人类正式记录的第一次桥梁震害却是发生在1906年美国旧金山大地震，在这次地震事件中，人们注意到了一座铁路桥梁的倒塌。在这之后，世界上又发生了多次对桥梁抗震设计影响重大的破坏性地震：如日本1923年关东地震，1948 年福井地震；新西兰1929 年默奇森地震和1931 年内皮尔地震；美国1964 年阿拉斯加地震

2、；1971 年圣费尔南多地震；1976 年中国唐山大地震；1994 年美国北岭地震；1995 年日本阪神地震等。,地震对桥梁结构造成的破坏现象，系统地揭示出结构设计和施工中的缺陷，甚至是最微小的缺陷。因此，调查研究过去发生的破坏性地震中桥梁的震害现象，对于改进桥梁设计和施工方法都极具价值。对桥梁震害现象开展调查研究，从中总结和吸取经验教训，是桥梁抗震理论得以发展的一个重要手段。可以说，桥梁抗震设计的历史，也是人类对桥梁震害现象认识的历史。,每一次大地震爆发后，人们总是可以从中发现大量的人为工程的破坏；地震造成的结构灾害，反过来又促进了对地震现象和工程抗震的研究工作。另一方面，工程界也从结构的破

3、坏中，获取关于结构地震反应的极其宝贵的资料，从而对抗震设计理论和设计方法进行检讨、修正和发展，使结构抗震设计水平不断地得到提高。,桥梁震害原因：场地运动引起的结构物振动（地震荷载以惯性力形式施加于结构）。场地相对位移产生的强制变形（支点强制变形的超静内力或过大的相对变位）。,从历次破坏性地震中，通过调查总结发现，桥梁的震害现象可以归纳为以下几类：上部结构坠落 支承连接件破坏 桥台、桥墩破坏 基础破坏 其他震害现象,2.2 桥梁震害及类型,桥梁的组成、分类和结构体系,1.基本组成五大部件五小部件,五大部件(从传递荷载功能划分),桥跨结构（上部结构）直接承担作用荷载桥墩、桥台、支座（下部结构）将上

4、部结构的荷载传递到基础 防止路堤滑塌 传力、保证桥梁的自由变形基础 将桥梁结构的荷载传递到地基,桥梁上、下部结构组成部分示意图,五小部件,桥面铺装(行车道铺装)排水防水系统栏杆(或防撞护栏)伸缩缝灯光照明,桥面部分一般构造图,桥面铺装,伸缩缝,名词术语,低水位：枯水季节的最低水位。高水位：洪水季节的最高水位。设计水位：按规定设计洪水频率算得的水位。通航水位：能保持船舶正常航行的水位。,水 位,净跨径:梁桥：设计水位上相邻两个桥墩（或墩台）之间净距 拱桥：两拱脚截面最低点之间的水平距离总跨径：各孔净跨径的总和，反映桥下泄洪能力计算跨径:梁桥：相邻两个支座中心之间的距离 拱桥：相邻两拱脚截面形心点

5、之间水平距离标准跨径:梁桥：相邻桥墩中心线或墩中心线至桥台台背前缘之间距离 拱桥：即净跨径桥梁全长:两桥台侧墙或八字墙尾端间的距离（无桥台的桥梁为桥面系长度）,跨 径,高度,桥梁高度（桥高）：桥面与低水位或桥下线路路面间高差桥下净空高度：设计洪水位或通航水位至桥跨结构下缘距离建筑高度：行车路面至桥跨结构最下缘距离净矢高：拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点连线的垂 直距离计算矢高：拱顶截面形心至相邻拱脚截面形心连线的垂直距离矢跨比（拱矢度）：拱圈/肋的计算矢高与计算跨径之比,桥梁的分类,1）按受力体系划分梁桥拱桥刚构桥（刚架桥）悬索桥（吊桥）组合体系桥,梁桥,南京长江大桥,一孔128m，三联

6、九孔 各160m正桥总长1576m公、铁两用桥,开封黄河大桥,桥全长4475m108孔，其中77孔为跨径50m 预应力T梁，余为20m公路桥,平顺桥,预应力混凝土连续弯梁桥山西平顺县3孔283528m1990年建成,梁桥小结,主要承重构件：梁、板受力特点（竖向力作用）：主梁受弯矩、剪力，以弯为主。墩台只受竖向力，不产生水平反力。材料特点：抗弯能力强结构特点：简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥,拱桥,丹河大桥,山西晋城石拱桥主跨146m桥全长413.17m,马鸣溪金沙江大桥,钢筋混凝土箱拱桥主跨150m1979年建成,贵州花鱼洞桥,桁架组合拱桥主跨150m1991年建成,钢拱桥,拱桥小结,主要承重构件

7、：拱圈、拱肋受力特点（竖向力作用）：墩台受竖向力、弯矩及水平推力，拱圈主要受压，也受弯矩和剪力。材料特点：抗压能力强结构特点：跨越能力大，造型美观，地基要求高，施工较难,刚构桥（刚架桥）,Schweden桥,横跨维也纳多瑙河跨径55.4m,Maas桥,荷兰、跨径80.5112.580.5m,汉江桥,陕西安康主跨176m全长542m1982年建成,刚构桥小结,主要承重构件：刚架结构受力特点（竖向力作用）：柱脚有水平反力、竖直反力和弯矩，梁部受弯为主，介于梁、拱之间。材料特点：钢筋混凝土、预应力钢混结构特点：跨中建筑高度可较小，适合采用悬臂法施工，但刚结点施工困难，易于开裂。,悬索桥（吊桥）,西藏

8、达孜桥 缆索直接锚于山体，是较少见的独塔悬索桥。,香港青马大桥 1997年建成通车，桥身总长度2200m，主跨长度1377m，离海面高62m，缆绳的直径1.1m，长16000km，创造了世界最长的公铁两用吊桥纪录。,金门大桥,跨径1280m1937年建成，位于美国旧金山保持世界记录27年,亨伯尔桥,Humber Bridge跨径1410m1981年建成世界记录保持到1997年,江阴长江大桥,跨径1385m1999年建成,明石海峡大桥,建成于1998年，世界第一跨悬索桥，主跨1991m。抗风、抗震设计世界先进水平，建桥期间承受7.2级地震。,悬索桥受力图示,悬索桥小结,主要承重构件：缆索受力特点

9、（竖向力作用）：缆索只受拉力，锚碇受竖向力及水平推力。材料特点：高强钢丝束结构特点：自重轻，跨越力强，刚度差，变形及振动大,组合体系桥之斜拉桥,南汊桥,南京长江二桥、主跨628m、2001年建成,多多罗大桥,建于1998年，日本塔高224m主跨长890m,斜拉桥小结,主要承重构件：主梁和拉索受力特点（竖向力作用）：斜拉索只受拉力 主梁受弯材料特点：高强钢丝束结构特点：梁内弯矩、梁体尺寸和重量大大减少,其它组合体系桥,上部结构自身因直接的地震动力效应而毁坏的现象极为少见，但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从梁

10、体下落的形式看，有顺桥向的、也有横桥向的和扭转滑移的，但统计数字表明，顺桥向的落梁占绝大多数,约占全部桥梁落梁总数的80-90%。梁端撞击桥墩侧壁，给下部结构带来很大的破坏，从而有可能造成更大的震害。,2.2.1 上部结构的震害,1）上部结构自身震害，如钢结构的屈曲破坏。,屈曲就是失稳,指一个构件还没有达到屈服时就丧失承载力。整体失稳：对于一个长细的压杆，当荷载还没有达到钢结构的屈服承载力时，压杆就进入不稳定状态，从而倒塌。局部失稳：比如压一个薄壁的圆筒，很容易看到整个筒没事，但是局部的钢板鼓出来或者凹进去，这算作局部失稳,或者叫做局部屈曲。,2）上部结构的移位震害,落梁,梁与墩（台）位移过大

11、梁的支撑长度不够支座破坏梁间碰撞,落 梁,落 梁,上部结构的移位震害,3）上部结构的碰撞震害,下部结构失效，主要指桥墩和桥台失效。如果下部结构不能抵抗其自身的惯性力和由支座传递的上部结构的地震力，墩和台就会开裂甚至折断。在早期，桥墩往往不具备延性能力，因此一旦抗力不足，就会导致桥墩脆性破坏并很快失去承载能力。由于墩台失效，其支承的上部结构也将遭受严重的破坏。,2.2.2 下部结构的震害,桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏；素混凝土也会因施工缝而产生断裂。震害的进一步发展，会导致断裂面上下的墩身移位，最终使断裂面以上的墩身翻落而酿成极大的震害。,钢筋混凝土桥墩大量

12、遭受严重破坏，是近期桥梁震害的一个特点。桥墩遭受破坏的内因，主要源于设计和构造两方面的缺陷，包括：设计抗弯强度不足 设计抗剪强度不足 构造缺陷,地震引起的桥墩破坏,RC桥墩在水平反复荷载作用下的破坏形式,注：结构弯曲承载能力：结构剪切承载能力 弯剪破坏、剪切破坏由于结构变性能力、延性差，失去承载力后易倒塌，难以恢复，不希望出现。,1）弯曲破坏开裂、水平弯曲裂缝 受拉钢筋屈服 混凝土保护层脱落、塑性铰范围扩大 钢筋压屈（或拉断）,内部混凝土压碎、崩裂,设计抗弯强度不足,过去由于对桥墩地震破坏的认识不足，纵向钢筋往往在墩底搭接或焊接，桥墩的主筋通常未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效而弯曲破坏

13、。还有一种情况，是设计地震力取值偏低造成的。由于设计地震力取值偏低，当与其它静力荷载效应组合时，计算弯矩图数值偏低，而且形状也不对，据此确定的桥墩反弯点位置偏差也很大，使所配纵向钢筋在桥墩中过早切断，造成桥墩在中间位置发生弯剪破坏。,2）剪切破坏（弯剪破坏）,开裂、水平弯曲裂缝 斜向剪切裂缝 箍筋屈服、剪切裂缝增长 脆性裂切破坏,设计抗剪强度不足过去设计的桥墩，其横向钢筋直径通常较小，间距也往往在3050cm 之间，显然不足于抵抗强烈地震动引起的横向剪力作用。构造缺陷构造缺陷主要包括：横向约束箍筋数量不足和间距过大，因而不足于约束混凝土和防止纵向受压钢筋屈曲；纵向钢筋在墩底搭接或焊接；纵筋在桥

14、墩中过早切断；纵向钢筋和横向箍筋锚固长度不足；箍筋端部没有作成弯钩等。,2.2.3 支承连接件破坏：桥梁支座、伸缩缝和剪力键等支承连接件历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节，在历次破坏性地震中，支承连接件的震害现象都较普遍。,支座破坏,传递的上部结构惯性力 支座的设计强度桥梁支座是桥梁抗震的薄弱部位，震害极为普遍。破坏形式主要表现为支座锚固螺栓拔出剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏。,伸缩缝破坏,在地震中，如果支承连接件不能承受上、下部结构的相对位移，支承连接件就可能失效。由于支承连接件失效，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移，如果没有受到其它约束，上部结构就可能

15、与下部结构脱开，并导致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力，下部结构也将遭受严重的破坏。例如，在1975 年海城地震和1976 年唐山地震中，就有不少桥梁因支承连接件破坏引起落梁并最终导致结构倒塌的例子。1989 年美国洛马普里埃塔地震中旧金山奥克兰海湾大桥一跨落梁。,支承连接件失效的原因，主要是设计低估了相邻梁跨之间的相对位移。一般来说，桥梁相邻跨之间在未来随机发生的地震作用下的相对位移难于准确确定，因此支承连接件破坏有时是很难避免的；有证据表明，支承连接件破坏有时对整个结构反而有利。,在实际设计中，需要着重考虑的是如何避免因支承连接件失效而导致的落梁现象。日美两国在这方面的实际作法是：一，规范规

16、定支承连接部位的支承面宽度必须满足 一定要求；二，规定在简支的相邻梁之间安装纵向约束装置。,2.2.4 基础的震害,地震引起地基的液化，使承载力下降，引起基础下沉。进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层水平滑移或转动。桥梁基础因周围地基崩塌通常最易发生在饱和松砂、软粘土以及粉砂土层层面呈倾斜的场合，或者有填土等情况。,地基失效引起的桥梁结构破坏，在国外建于20 世纪70 年代以前的桥梁的震害现象中占有很大的比例。例如，在1964 年美国阿拉斯加地震、1968 年日本十胜

17、冲地震、1970 年新西兰马丹地震。我国1966 年邢台地震、1975 年海城地震和1976 年唐山地震等等中，多数桥梁的破坏均源自于此。,地基液化,地基失效引起的桥梁结构破坏，有时是人力所不能避免的，因此在桥梁选址时就应该重视这个问题，并设法加以避免。比如，在桥梁选址时，应尽量避开活动断层及其邻近地段，避开危及桥梁结构安全、有可能滑坡或崩塌地段，避开有可能液化的软弱土层地段。如果无法避开上述地段，则应考虑对地基进行处理或采用深基基础。,基础破坏：,扩大基础自身的震害现象极少发现，然而有时因不良的地质条件，也会出现沉降、滑移等；桩基础的承台由于体积、强度和刚度都很大，因此也极少发生破坏，但桩基

18、的破坏现象则时有发现，尤其是对深桩基础。限于早期的认识水平，桩基的破坏可能出现在桩身任意位置，而且往往位于地下或水中，不利于震后迅速发现，而且修复的难度相当大。,2.3 汶川地震中的桥梁震害,2.3.1 百花大桥震害 百花大桥，全长500 米，是都江堰经映秀至汶川公路上的必经之地，也是地震后重灾区映秀通往外界的唯一一条“生命通道”。汶川地震后，有50 多米长的桥面拦腰垮塌，用肉眼都能看到几根桥柱已经移位，整座大桥岌岌可危，处于失稳的平衡状态，余震将造成继续垮塌，保留成本太高，最终将其炸毁。,主梁位移及横隔板破损,桥墩墩底塑性铰破坏,墩顶位移、支座破坏,横梁破坏,桥墩破坏,桥墩墩体钢筋,2.3.

19、2 紫坪铺水库庙子坪大桥,庙子坪大桥为主跨220 米的混凝土连续刚构桥，横跨紫坪铺水库。引桥为50 米T梁，其中一跨落梁，支座损坏严重，混凝土墩、梁基本无裂缝，连续刚构桥结构基本完好。,顺、横桥向位移，伸缩缝破坏,落梁断面,落梁,落梁断面，桥面缝,落梁断面，挡块破坏,2.3.3 拱桥震害,该拱桥为一跨河石拱桥，由于汶川地震的发生，使得该桥拱顶开裂，拱脚及拱身亦有裂缝。,拱顶开裂,拱桥破坏,拱脚裂,拱顶及周边裂,拱体裂,地震时河床变形，导致跨河公路桥梁跨塌。,2.4 其它地震震害,地面破坏：如地面裂缝、错动、塌陷、喷水冒砂等。,山体等自然物的破坏，如山崩、滑坡等。,海啸，海底地震引起的巨大海浪冲

20、上海岸，可造成沿海地区的破坏。,火灾由震后火源失控引起。,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓延，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死亡10万。,2.5 强震中桥梁破坏的基本特征和经验教训,1.日本兵库县南部地震（阪神大地震阪神大地震，1995.1.17，M7.2）剪切强度不足配筋过少延性差 不适当的纵筋截断实际地震荷载 设计地震荷载（1g2g）(0.2g0.4g),延性差,倒塌,2.台湾集集地震（1999.9.21 M7.6）相对位移地基实效3.土耳其Kocaeli地震（1999.8.17 M7.4）场地相对位移 地基变形 基础、下部结构相对位移 落梁、

21、支座破坏、梁体位移,支座损伤、桥墩损伤、落梁,2.6 桥梁震灾的内因及处治措施,支承连接构件失效 现象：当上、下部结构相对位移过大 支承连接失效 相对位移更大（若无其他约束或失效）脱座、落梁 原因：设计时偏小的地震力、偏大的刚度 设计位移偏小 措施：正确估算设计位移值 加大梁的支承宽度和设置限位器、连梁,下部结构失效 现象：桥墩、桥台无法抵抗自身的惯性力或上部结构传来的上部结构地震力，无延性、强度不足而破坏。原因：a.设计抗弯强度不足 纵向钢筋的墩底搭接或焊接，主筋虽未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效；设计地震力偏小，导致纵筋切断处弯剪破坏。b.设计抗剪强度不足 横向钢筋直径偏小，间距偏

22、大（30-50cm）。,c.构造缺陷构造缺陷横向箍筋直径偏小，间距过大，不能约束砼和防止纵筋屈曲；纵筋的墩底焊接或搭接在桥墩中的过早切断；纵横筋的锚固长度不足；箍筋端部未做成弯钩。措施：延性设计与能力设计,软弱地基失效,现象及原因：地基受振动后承载能力下降，导致桥梁 沉降或水平位移；地基液化，承载能力下降；岸坡滑移，对墩、台的巨大挤压力；措施：a.桥梁选址 b.地基处理 c.采用深基础,2.7 桥梁抗震规范（细则）的变迁,1）77 规范 公路工程抗震设计规范2）89 规范 公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）1990年1月1日颁布实施3）08细则 公路桥梁抗震设计细则 2008 年10 月1日颁布实施,公路工程抗震设计规范JTJ044-89,第一节 总则第二节 路线、桥位、隧址和地基第三节 路基和挡土墙第四节 桥梁第五节 隧道,08细则 公路桥梁抗震设计细则,