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1、 SPCP课题研究论文课题名称： 桥梁震害研究 学生姓名： 陈哲 许江伟 张盼盼 李文娟 指导老师： 郭青伟 郑文豫 所在院系： 土木建筑工程学院 年纪专业： 14级 土木工程 10班 目 录1前 言.42地震对桥梁结构的影响.42.1引言.42.2场地运动引起的结构震动（第一种）.42.3场地相对位移引起的结构的变形（第二种影响）.53桥梁的震害原因.54桥梁的震害现象.64.1地表断裂.64.2滑坡.74.3沙土液化.74.4软土震陷.75桥梁震害破坏形式.76桥梁震害分析.87桥梁的抗震措施.87.1桥的选址.87.2桥位选择.87.3桥型选择.87.4桥孔布置.87.5基础处理.97.
2、6桥墩处理.97.7基础抗震措施.107.8桥台抗震措施.107.9桥墩抗震措施.117.10结点抗震措施.117.11桥梁抗震设计及措施.118桥梁抗震设计的几点建议.128.1设计建议.128.2大型建筑工程强制安装强震仪.138.3健全工程质量评估装置.138.4广泛采用减震、隔震技术.138.5提高国家的抗震标准.149结论.14 1前 言 桥梁作为城市的主要交通动脉和重要的社会基础设施，不仅仅具有投资大、公共性强等特点，而且维护管理也显得特别困难。因此，在抗震防灾、危机管理系统中，桥梁成立一种重要的组成部分。因为对于提高其抗震能力是加强区域安全。减轻地震损失的一项重要举措。特别是近年
3、来，我国交通建设事业发展较为迅速，桥梁不管是在数量方面还是延伸长度方面都增长较快，可以说城市高架桥在大中城市已经成为了主要的交通动脉。给居民日常生活活动带来了很多的方便，为国民经济中起到了重要的作用。但是在地震的强烈影响下，桥梁设施会遭到巨大的破坏，甚至倒塌，其所带来的影响常常超过了桥梁因改建或维修所需要的巨额财政支出，由此可见，在我过公路交通建设中，必须加强桥梁的抗震能力，以减少一些损失。2地震对桥梁结构的影响 2.1引言 地震对桥梁结构的破坏，其主要有以下两种方式：其一种是场地相对位移从而引起的强制变形，第二种就是场地运动发生的结构物震动。前者是由于支点强制变形引起的过大的相对变形或超静定
4、内力致使结构的安全性受到影响，而后者则是以惯性力的方式把地震荷载施加在结构物上，从而导致安全性收到影响。2.2场地运动引起的结构震动（第一种） 地震时，桥梁结构物遭受到的地震运动主要是因为震源产生的地震波先通过地壳逐渐传入至地下的深层基岩，然后由深层基岩传到地表面土层的场地，因此建筑物在地基上的桥梁结构物在场地运动的影响下而产生震动进而产生变形。对于柔性结构的地震影响来说，不仅仅取决于同场地的震动外，而且还取决于相对于地基的震动但是刚性结构的地震影响应则主要由场地的运动决定。 所以，桥梁结构物受地震惯性力的影响程度不仅仅取决于场地运动的特性，同时还取决于结构物自身特有的动力特性（如震动周期，阻
5、尼等）。 根据地震波的传播方式来看，震源产生的地震波传播到地表面，其过程从大的方面来划分，可分为两个阶段： 第一阶段是地震波先通过地壳逐渐传入底下的深层基岩。 第二阶段是由深层基岩传到地表面的建筑物。 在第一阶段，地震波在传播过程中，其波形的变化逐渐体现为振幅逐步减弱。按照基理振幅衰减原理可知，它包括三个部分：能量辐射衰减、粘性衰减和几何衰减。因为在这个阶段中地震波的周期特性变化不是很大，波形变化主要表现为振幅衰减，因此也将它叫做距离衰减。但是地震波在传播过程中的第二阶段，需要传播至地表面的土层，土层之间又存在着分界，因此波在土层之间产生折射和反射，然后传播至地表面。基岩位置的地震波和地面的地
6、震波振幅特性与周期相比存在着明显的不同，这种不同于地表面土层的地质条件，和结构有着密切的联系；按照地震波传播过程中的特点，在研究分析结构地震影响时，不仅仅要考虑震源产生的地震规模，而且还要考虑表面涂层的土质条件和结构、地震波的传播距离等影响。2.3场地相对位移引起的结构的变形（第二种影响） 对于纵向延伸较长的桥梁来说，各桥墩所处的位置地质条件大体上都各有所异，支点之间遭受到的地震影响往往不一致，因此地震中发生的场地相对位移将对桥梁结构施加强制变形，影响结构的安全性。 场地相对位移是导致桥梁及桥墩的结构损伤、支座切断、落梁破坏等地震破坏的主要因素。场地相对位移对桥梁结构的影响相对场地运动引起的结
7、构震动影响来说更加难以预防，因为对于桥梁抗震的设计比较困难，目前的研究还在进一步的完善。3桥梁的震害原因 地震位移造成的梁式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或梁体相互磁撞引起的破坏,而对拱式结构则主要表现在拱上建筑和腹拱的破坏,拱圈在拱顶、拱脚产生的破损裂缝,甚至整个隆起变形。 由于地基土(如饱和粉细纱和饱和粘沙土)的地震液化影响,同样加大了地震位移的影响,进而放大了结构的振动反应,使落梁的可能性增大。当采用排架桩基础时,则使桩基的承载力降低,从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移,而简支梁桥对此尤为明显。另外,由于地基软弱,地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜,
8、下沉等严重变形,进而导致结构物的破坏,震害较重。 支座破坏,在地震力的作用下,由于支座设计没有充分考虑抗震要求,构造上连接与支挡等构造措施不足,或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素,导致了支座发生过大的 位移和变形,从而造成如支座锚固螺栓拔出、 剪断、 活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等,并由此导致结构力的传递形式的变化,进而对结构的其他部位产生不利的影响。 软弱的下部结构破坏,即由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递 的主梁的地震力,导致结构下部的开裂、 变形和失效,甚至倾覆,并由此引起全桥的严重破坏。 在松软地基上的桥梁,特别是特大桥、大中桥,地震时往往发生河岸滑移,使桥台
9、向河心移动,导致全桥长度的缩短,这类震害是比较严重的。 另外桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。4桥梁的震害现象 桥梁的震害现象与地震灾害现象是密不可分的,不同的地震灾害导致不同的桥梁震害现象的发生。两者有着直接必然的联系。地震灾害现象 地震造成的地表破坏现象主要有地表断裂、滑坡、沙土液化、软土震陷等。 4.1地表断裂 地表断裂又称地裂缝,分为构造地裂缝与重力地裂缝两种。构造地裂缝与地质构造有关,是地震断层错动后在地表留下的痕迹。其切割很深,可以从地壳内的岩层直达地表,不受地貌影响。可延
10、绵数十至上百公里。重力地裂缝是由于地面土质软硬不均匀及微地貌重力影响,在地震动作用下形成的。与震前土质的稳定状态密切相关。在震区分布极广。 4.2滑坡 软弱黏性土土坡,层理倾斜或有软弱夹层等不稳定的边坡,在地震时由于附加水平力的作用或土层强度降低而发生滑动。导致修筑在这些边坡或附近的建筑物损坏。地震引起的滑坡是山区或丘陵地区的震害特点。在不稳定的人工边坡开挖面及平原地区河岸也会出滑坡。 4.3沙土液化 饱和沙土在地震的作用下,结构破坏,土颗粒发生相对位移,体积收缩,孔隙水压力暂时显著增大,当孔隙水压力上升到与外部压力相等 时,沙土颗粒便形同 “液体”呈悬浮状态,使土体抗剪强度丧失;另一方面,高
11、压力孔隙水在喷出 地面时,同时将沙土颗粒一并带出,形成 “喷水冒沙” 现象。4.4软土震陷 在强震作用下,土体结构被扰动,强度降低,孔隙水压力增大,从边界排出,软黏土被压密,产生沉隐或不均匀沉陷。这种不均匀沉陷引起的内力重分布可导致结构特别是超静定结构破坏乃至倒塌。 5桥梁震害破坏形式 桥梁的震害无非就是发生在桥梁的组成 部位上的破坏。 通常桥梁都是由上部结构、支持连接构件、墩台等下部结构和基础组成。所以桥梁震害大体分为四类。 上部结构破坏对于梁式结构由于地震效应造成结构本身的破坏在报道中见的不多。梁式结构破坏多是在地震作用下支撑连接构件破坏或下部结构失效导致的落梁。而落梁对墩台侧壁的撞击又对
12、下部结构造成破坏。拱式结构主要表现为拱上建筑和腹拱破坏,拱圈在拱脚和拱顶出现裂缝,拱圈隆起变形甚至倒塌。 支撑连接构件破坏桥梁的支座、伸缩缝和剪力键等薄弱的构件在外力作用下总是最易受损的。1975年海城地震,9度区的大石桥镁矿专用线上赵家堡大桥(516m钢筋混凝土梁),22mm的锚栓共剪断36根；营口8度区少数钢筋混凝土桥梁折断,桥面开裂,伸缩缝加 宽。 下部结构破坏圬工下部一般出现倾斜、倒塌、开裂破坏。钢筋混凝土结构会出现轻微开裂、保护层混凝土剥落、纵向受力主筋压曲,截面变化处核心混凝土压碎等。 基础破坏扩大基础和桩基的承台因本身刚度比较大,自身震害极少见。多是地基发 生沉降、 滑移造成基础
13、变位。桩基础却有发生剪断、倾斜的破坏。1975年海城地震时,田庄台辽河大桥正处在施工中,桩基已施工完毕,部分桥墩和过渡桥台刚刚建成,震后观测到桩顶和墩身倾斜,有的有开裂。特别是7号墩震后墩身中心向河心移1.196m,不排除基桩在河床基土液化深度下的嵌固点附近出现细微弯裂和基桩末 端无筋段被剪断的可能。 另外,从文献2中的调查可以看出,跨度大的桥梁震断破坏比较严重;粉、细砂类地基上桥梁破坏也相对严重,而墩身小于5m的桥梁在地震中却基本完好。 6桥梁震害分析 上部结构破坏和支撑连接构件破坏都是由于支撑连接构件失效所致。在地震中,如果上、下部结构的相对位移过大,超过支座的变形能力或支撑面宽度、或超出
14、梁间纵向约束装置的强度,支撑连接构件就可能失效。支撑连接构件失效后,上、下部间缺少足够的约束,其相对位移进一步加大,可能导致落梁。而落梁的冲击力又会损毁下部结构。支撑连接件失效主要是因为设计上使用了偏低的设计地震荷载或用全截面而非开裂截面计算刚度从而低估了相邻梁跨间的相对位移。在地震中下部结构如不能抵抗其自身的惯性力和支座传递的上部结构的地震力,墩和台就会开裂甚至折断。如果桥墩设计的延性较差,一旦抗力不足,就会发生脆性破坏并 丧失承载能力。 继而上部结构也遭受到破坏。桥梁墩台破坏源于设计和构造两方面原因。首先是纵向受力主筋在墩底或梁柱结合处过于集中的搭接或焊接,因搭接或焊接强度不足,在地震荷载
15、作用下,纵向主筋尚未达到设计强度而钢筋连接的位置出现搭接失效而弯曲破坏。或者取用较小的地震荷载,造成结构实际抗弯强度不足。其次,箍筋直径过小,间距过大会造成结构的设计抗剪能力不足。再次,纵向主筋和横向箍筋的锚固长度不足,箍筋端部未作成135弯钩伸向核心混凝土部分,主筋集中截断或搭接等构造上的缺陷也是造成下部结构破坏的原因。当结构周围的地基受到地震作用强度降低时,基础就会发生沉降或滑移,引起墩台倾斜、倒塌或折断,这是导致桥梁结构破坏的重要原因。总之,桥梁震害可能是由于上述的一种因素造成,也可能几种因素共同作用的结果。7桥梁的抗震措施7.1桥的选址 桥址应选择地质好、承载力高、地势平坦的地方。但实
16、际情况中有时难以实现。一是高速公路的桥梁桥位取决于路线的走向和位置，根据节约用地的原则，路线尽量少占良田，故桥位多在山坡、河谷走廊、河道、峡谷等处。二是路线穿越山区、丘陵地带或软土地区时，地形复杂、或地质不良。7.2桥位选择 选择桥址时，应避开地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基是理想的桥址场地；饱和松散粉细砂、人工填土和极软的粘土地基或不稳定的坡地都是危险地区。拱桥应尽量避免跨越断层，特殊困难情况下应进行地震安全性评价。7.3桥型选择 桥梁应结合地形、地质条件、工程规模及震害经验，选择合理的桥型及墩台、基础型式。宜尽可能采用技术先进、经济合理、便
17、于修复加固的结构体系。可以考虑采用减震的新结构，比如型钢混凝土结构等。7.4桥孔布置 桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置，并尽量避免高墩与大跨的结合。宜体形简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。位于地震后可能形成泥石流沟谷上的桥梁，孔跨和桥下净高宜根据流域内的地形、地质情况酌情加大。7.5基础处理 对于不良地质，可以根据不同的具体地质情况采用不同的方法进行处理。对于岩层较浅的地方，采用较大扩基或固定在基岩上。或者在扩基处砌筑厚度为1.5-2m的围裙。对于地基软硬不均，或砂层较厚地下水位较高地区要特别注意沙土液化，喷沙冒水现象的发生，可适当增加桥长，合理布孔，使桥墩、桥台避开地震时可能
18、发生滑动的岸坡或地形突变的不稳定地段。或采用深桩、排桩穿过液化层，并采用系梁、承台等加强联结，或减轻结构自重，在非冲测线下一米处，设置围裙或条形基础，加大基础基底面积、减少基底偏心，并适当增加埋置深度。亦可在台前或两侧设斜撑。并在考虑采用时，将水平地震力和竖向地震力加以组合验算。7.6桥墩处理 对于震区的桥墩，最好采用等截面，不宜做锥形截面墩，因为变截面的桥墩的纵坡应力较大，而等截面桥墩的纵坡应力相对较小，这样可以减少坡应力。 在桥墩较粗能够承受较大拉力时（一般用于大桥），为了防止桥面在地震时上抛，落下砸坏桥墩（桥台），一般用高强螺栓或预埋钢筋将桥梁及桥台联结起来。 对于中小桥，一般采用简支板
19、。它允许桥面与桥墩能够自由分开。地震时，为了防止桥面自由上抛时桥墩承受过大的拉力，同时，为了防止桥面落下时冲坏桥墩，在支座处安放弹簧或橡胶支座等缓冲的东西。7.7基础抗震措施 应加强基础的整体性和刚度，同时采取减轻上部荷载等相应措施，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。在可能发生地震液化的地基上建桥时，应采用深基础，使桩或沉井穿过可能液化的土层埋入较稳定密实的土层内一定深度。并在桩的上部，离地面13m的范围内加强钢筋布设。7.8桥台抗震措施 桥台胸墙应适当加强，并增加配筋，在梁与梁之间和梁与桥台胸墙之间应设置弹性垫块，以缓和地震的冲击力。采用浅基的小桥和通道应加强下部的支撑梁板或做满河床铺砌
20、，使结构尽量保持四铰框架的结构，以防止墩台在地震时滑移。 当桥位难以避免液化土或软土地基时，应使桥梁中线与河流正交，并适当增加桥长，使桥台位于稳定的河岸上。桥台高度宜控制在8m以内；当台位处的路堤高度大于8m时，桥台应选择在地形平坦、横坡较缓、离主沟槽较远且地质条件相对较好的地段通过，并尽量降低高度，将台身埋置在路堤填方内，台周路堤边坡脚设置浆砌片石或混凝土挡墙进行防护，桥台基础酌留富余量。 如果地基条件允许，应尽量采用整体性强的T形、U形或箱形桥台，对于桩柱式桥台，宜采用埋置式。对柱式桥台和肋板式桥台，宜先填土压实，再钻孔或开挖，以保证填土的密实度。为防止砂土在地震时液化，台背宜用非透水性填
21、料，并逐层夯实，要注意防水和排水措施。落梁震害极为常见。实践证明，加强上部结构的整体性，限制其位移，是提高桥梁上部结构抗震能力的有效措施。预防措施有： 通常在梁(板)底部加焊钢板，或采用纵、横向约束装置限制梁的位移，如拉杆、钢筋砼挡块、锚杆等，梁与墩帽用锚栓连接，T梁在端横隔板之间螺栓连接，曲梁桥，应采用上、下部之间用锚栓连接的方式。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。 梁端至墩台帽或盖梁边缘的距离，以及挂梁与悬臂的搭接长度必须满足地震时位移的要求。 桥梁跨径较大时，可用连续梁替代简支梁以减少伸缩缝，宜采用箱型截面。 当采用多跨简支梁时，应加强梁(板)之间的纵、横向联系，将桥面做成连
22、续，或采用先简支后结构连续的构造措施。 采用真空压浆方法，保证预应力管道水泥浆饱满，提高预应力桥梁的强度和刚度。7.9桥墩抗震措施 利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。高墩宜采用钢筋混凝土结构，宜采用空心截面。可适当加大桩、柱直径或采用双排的柱式墩和排架桩墩，桩、柱间设置横系梁等，提高其抗弯延性和抗剪强度。 在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置，墩柱的箍筋间距对延性影响很大，间距越小延性越大。桥墩的高度相差过大时矮墩将因刚度大而最先破坏。可将矮墩放置在钢套筒里来调整墩柱的刚度和强度，套筒下端的标高同其他桥墩的地面标高。 墩台顶帽上均应设置防止落梁措施，加纵、
23、横向挡块以限制支座的位移和滑动。橡胶支座具有一定的消能作用，对抗震有利。在不利墩上还应采用减隔震支座(聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座等)及塑性铰等消能防震装置等。 选用伸缩缝时，应使其变形能力满足预计地震产生的位移，并使伸缩缝支承面有足够的宽度，同时设置限位器与剪力键。7.10结点抗震措施 桥梁结点区域一旦受损将难以修复。城市高架桥墩柱的结点、桥墩与盖梁的结点、桥墩与基础的结点等，是保证桥梁整体工作的重要构件。在桥梁抗震设计中，除了保证墩、梁有足够的承载力和延性外，还要保证桥梁结点有足够的承载力，避免结点过早破坏，即“强节点，弱构件”。7.11桥梁抗震设计及措施 根据桥梁震害的分析
24、知道，地震对桥梁的破坏作用，不仅与桥梁的结构本身有关，还与所处的场地、地基及地形地貌等有关。抗震设计中除了进行抗震设计计算外，桥位选择、桥型选择、结构体系布置、结构构造设计同样重要。8桥梁抗震设计的几点建议8.1设计建议 尽量采用连续的梁跨代替简支梁跨，进而减少伸缩缝数量。降低在此处落梁的可能性同时，也提高了桥上行车的舒适性。 采用橡胶支座而无固定支座的桥垮。应加设防移角钢，或设置挡轨，作为支座的抗震设计。 桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上，否则软土的液化会加速地震反映。 位于常年有水河流上的特大桥、中大桥，当地基为液化土或软土时，其墩台基础应尽量采用桩基础，且桩尖埋入稳定土层内一定深度。
25、 高墩宜采用钢筋混净土结构，按照延性要求进行设计，在桥墩塑性铰区域及紧接承台下桩基的适当范围内应加强箍筋配置。 在高烈度地震区，极可能采用整体性额规则性较好的桥梁结构体系，结构的几何尺寸、刚度力求均匀、对称、规则，避免突变的出现。从几何线性上看，尽量选用直线桥梁。 设置多道抗震防线，尽可能采用超警顶结构，少采用静定结构。 对于较高的排架桥墩，墩之间要增设横系梁以减少墩柱的横向滑移和设计弯矩。 选择合理的连接形式对桥梁抗震性能十分重要。对于高墩桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接；对于矮桥墩梁，上部结构与下部结构连接建议采用支座连接方式，并合理设置桥墩的搭接长度。8.2大型建筑工程
26、强制安装强震仪 国内的强震记录台站数量较少，在重大工程建筑物上安装强震仪、风速仪等，观察并记录地震期间的数据是很必要的。但由于强震仪价格比较高，可以在地震区的新建高层建筑物中强制安装，由开发商承担相应价格。8.3健全工程质量评估装置 我国应该及时引入“工程法医”制度，综合运用多种检测手段确定建筑损坏的具体原因，而不仅仅根据房屋是否坍塌来评价桥梁的质量。地震中桥梁的坍塌不但有地震本身的原因，同时也要从桥梁的设计、施工等一系列的环节进行严苛的评估。使用“工程法医”对地震灾区的建筑进行全面的“体检”，为提供适合于中国的强震区桥梁设计标准提供科学的理论与实验依据，同时也要对桥梁的设计与职工单位实行间责
27、制，依法追究奇相应的法律责任。8.4广泛采用减震、隔震技术 由于强地震的持续时间短，破坏力极强，要做到桥梁绝对无损就需要付出极其高昂的经济代价，鉴于此国际上的共识是实现桥梁的不倒与可修。只要桥梁不倒塌，就可以为后续的救援提供诸多的便利。广泛运用“以柔克刚”的减震、隔震技术，就可以达到桥梁主体不倒塌与可修的目的。如果安装双曲面全钢减震支座，就像为大桥墩装上一个可以360转动的关节，当强地震冲击大桥墩时，它就会滑动，减去大部分的冲击力，避免大桥因剧烈冲击而倒塌。如果将阻尼器安装在大桥上就相当于给大桥垫上了个弹簧，也可以有效的缓冲地震瞬间带来的巨大荷载。在5.12汶川地震中，四川雅泸高速公路上30余
28、座桥梁完好无损，就是由于这些桥梁在建设过程中采用了弹塑性抗震挡块。8.5提高国家的抗震标准 我国在建筑抗震设防方面是有明确的立法规定的。我国的勘测勘探法规定，各地区要按照国家发布的地震烈度来进行勘测，审定抗震设防标准但我国的抗震烈度设的偏低，日本设计基本地震加速度为0.3g，而中国设计的标准仅为0.1g,这个标准已经远远不能满足现代经济与社会发展的需要，因此必须尽早提高设防标准，才能更能有效的抵御强地震。 桥梁结构抗震设计是桥梁设计中的重要环节，在当前我国的高速公路、铁路正处在大规模建设之际，乔来年钢结构的安全问题更不容忽视。在桥梁设计中需采取一系列有效的抗震措施，进一步提高和完善桥梁的安全性、适用性、耐久性和社会效应。结 语 在上述论述中，介绍了我国桥梁抗震技术理论研究的现状，同时对我国桥梁抗震增强提出了一些可行性的建议。我国地震频繁发生，对桥梁抗震的研究也任重而道远。此外，中国可以通过自我经验总结，以及借鉴日本等先进国家的经验来提高自身桥梁抗震技术的进步。 参考文献1建筑抗震设计规范.GBJ11-89.ZM2范立础.桥梁延性抗震设计M3公路桥梁抗震设计规范.JTJ004-89M.4范立础.桥梁抗震M. 5北京:中国建筑工业出版社,1989.
