桥梁的抗震损伤分析

【关键字】：桥梁；上部结构；支座；下部结构 

1.引言 

随着我国经济的快速发展，我国公路铁路等基础交通建设不断完善，桥梁作为公路、铁路交通的重要公共交通设施，对人们的生活的影响越来越大。而我国属于地震多发国家，地震对于桥梁有着很大的威胁，所以做好桥梁抗震设计不容忽视。在桥梁工程中，做好抗震工作是保证人民生命财产安全的重要部分，在发生重大灾难时，公路、铁路交通网是挽救人民生命和财产、进行灾区重建、减轻次生灾害的重要交通途径，桥梁作为公路、铁路交通网的一部分，不可以在发生重大灾难时阻碍救援工作的顺利进行，做好桥梁抗震设计的重要性不言而喻。本文针对桥梁的上部结构、支座、下部结构等不同部位进行桥梁的地震损伤分析。 

 

2桥梁上部结构的损伤 

承受使用及重力荷载的上部结构一般情况下是按照弹性进行设计的，在地震发生过程中，桥梁的上部结构不容易受到破坏，它们属于抗震设计中的一个较强的环节，与桥梁的其他部位相比，桥梁的上部结构十分牢固，在发生地震的过程中还依然保持着弹性。所以，桥梁倒塌的主要原因不太可能发生在桥梁的上部结构中。 

在地震发生过程中，桥梁支座和下部结构更容易发生损伤，在支座和桥梁下部结构被损伤以及一些倒塌的情况下，也可能会造成桥梁上部结构大范围的损伤和断裂。但是这种断裂对于桥梁整体的地震损伤是次要的，因为这时桥梁上部的损伤和断裂是由于其他部位的损伤和断裂造成的。 

桥梁倒塌的主要原因虽然很少发生在桥梁的上部结构中，但是在历史上也有一些上部结构严重损伤的案例。例如1989年美国露玛•皮瑞塔地震期间，旧金山—屋仑海湾大桥东面部分的失效和倒塌，这一倒塌，使旧金山和东海湾之间的主要交通要道中断了一个月的时间；1994年北岭地震期间，在圣塔克拉拉河大桥桥跨内伸缩缝上的击碎损伤，造成了交通的短时间中断。桥梁上部结构损伤断裂主要由两方面原因造成：（1）桥梁上部结构落梁倒塌；（2）相邻桥段在伸缩铰链处相互碰撞倒塌。 

3桥梁支座的损伤 

世界上的一些地区，流行的桥梁结构是由包括支承在支座上的上部钢结构，支承在下部结构上的支座和下部结构组成的。在这样的桥梁中，为了提供一个或者多个方向上的约束，支座通常由事先设计好的钢部件组成。这种支座在地震中的失效能引起内力重分布，这样的结构可以使桥梁的上部结构或者下部结构超载，在一定情况还可能造成桥梁的上部结构和下部结构同时超载，当支座失效后，桥梁可能倒塌。 

在历史上，桥梁的这种结构造成桥梁支座失效的例子很多。日本桥梁的主要设计类型就是如上述所说的上部钢结构支承在混凝土下部结构上的支座上，1995年日本兵库县南部地震中，浜手旁路是一个双层高架公路桥，由支撑在固定的或者伸缩的钢支座上的钢箱组成。几处支座的失效引起了浜手旁路的上部结构的大转动，造成桥梁基本无法正常使用。在同一次地震中，西宫港大桥也是支座损伤的一个例子，此桥为830ft跨拱桥，一端支承在两个固定支座上，另一端支承在两个伸缩支座上。按70%桥重量为承载力设计的固定支座充分考虑到了桥梁自身的稳定性，但是固定支座却失效了，并引起了相邻的引桥跨发生落梁，造成了严重的损失。 

4桥梁下部结构的损伤 

桥梁下部结构的损伤是桥梁在地震发生过程中发生的主要损伤，也是造成坍塌的最主要原因。桥梁下部结构的损伤主要包括六个方面：（1）柱子的损伤；（2）梁的损伤；（3）节点的损伤；（4）桥台的损伤；（5）基础的损伤；（6）引桥的损伤。 

4.1柱子的损伤 

柱子的损伤大部分可以归因于那些限制了柱子非弹性变形能力的不适当细部构造。在混凝土柱子中，细部构造不适当，能引起弯曲、剪切、接头处的失效，还可能引起锚固处的失效。在钢柱中，钢柱局部的屈曲逐渐发展，最终导致桥梁整体的倒塌，例如1995年兵库县南部地震中，桥梁柱子的失效显然与局部屈曲和接着发生在焊接处的劈裂或者接近屈曲处钢的撕裂有关。 

4.2梁的损伤 

与柱子相比，人们认为横梁结构由于重力荷载的需要和与上部结构复合作用的要求，横梁与柱相比更加强大，不容易受到损伤。但是在许多具有外伸梁的桥梁中，梁是框架的关键构造，而且要经受引起失效的荷载，如果不给予足够的关注，梁结构也会受到很大的损伤。 

4.3节点的损伤 

节点与梁类似，在传统观念的抗震设计里面很少引起人们足够的关注，但是当节点位于上部结构之外时，就非常可能遭受严重的损伤。尽管很多在很多次地震过程中，桥梁的节点都发生了致命的损伤，但是直到1989年美国露玛•皮瑞塔地震期间，人们观测到了许多节点损伤带来的严重后果之后，才对节点引起了足够的重视。 

4.4桥台的损伤 

桥台的损伤，对于不同的桥梁桥台失效的类型各有不同。基本类型变化很大，例如很大基础、桩基、竖井等。对于桥谈的损伤，土的性质的影响很大，尤其在地震发生过程中，土可能会发生液化，在这种情况下，土的性质对于桥梁的影响就变得更大。在1994年北岭地震过程中，一种桥台的处理方法引起了人们的关注，就是在桥台和桥台的构建设计过程中，将桥台的构建设计为桥梁的牺牲品，将其作为熔断器，目的是缓解到达桥台的大的地震力，在桥梁发生大范围的损伤的情况，这种设计可能是经济的。 

4.5基础的损伤 

除了桥梁所处位置发生液化的例子外，人们听到地震期间桥梁基础损伤的新闻较少。对于桥梁基础的抗震性能研究一直以来也比较少，人们尚不清楚，桥梁基础失效的原因是没有被发现，还是因为桥梁基础处于地下。桩基可能有少许的钢筋约束，但是却要承受很大的变形量。旧的扩大基础和桩基础很少有顶部弯曲钢筋或者任何一种抗剪切的钢筋。直到1995年兵库县南部地震发生后，桥梁的上部结构以及桥梁地面以下的部分发生大范围的损伤，人们才对桥梁的基础引起足够的关注。 

4.6引桥的损伤 

引桥的损伤在桥梁下部结构的损伤中最为少见，但是即使引桥没有损伤，如果路面发生较大的沉陷也会造成引桥的无法使用。1971年圣佛南部地震和1985年智利地震期间，回填桥台的沉陷引起了引桥多处突然的不同沉陷，造成引桥的无法使用。 

参考文献 

[1]adeli, h. and salch, a. , optimal control of adaptive/smart structures[j], j. struct. eng. asce, 123(2), 218-226,1997. 

[2]riley, m. , reinhorn, a. m. , and nagarajaiah, s. , implementation issues and testing of a hybrid sliding isolation system[j], eng. struct. , 20(3), 144-154, 1998. 

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。