摘要:橋梁工程在現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中起著重要的樞紐作用,但橋梁容易受到地震等自然災害的破壞作用,從而造成人員傷亡和財產(chǎn)損失,并使交通中斷。本文簡單介紹了地震形成的原因及對橋梁造成的危害,并對橋梁抗震設(shè)計進行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞:地震形成  橋梁破壞  結(jié)構(gòu)抗震計算  抗震設(shè)計  抗震措施 橋梁抗震是為避免橋梁遭受地震的破壞所采取的技術(shù)措施。最近20余年來,全球的多次破壞性地震造成了非常慘重的生命財產(chǎn)損失。一個很重要的原因是,橋梁工程在地震中遭到了嚴重破壞,切斷了震區(qū)交通生命線,造成救災工作的巨大困難,使次生災害加重,從而導致了非常巨大的經(jīng)濟損失。而現(xiàn)代化城市,隨著人口的大量聚集和經(jīng)濟的高速發(fā)展,對交通線的依賴性將越來越強,一旦地震使交通線遭到破壞,可能導致的生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟損失也將會越來越巨大。多次破壞性地震一再顯示了橋梁工程遭到破壞的嚴重后果,也一再顯示了對橋梁工程進行正確抗震設(shè)計的重要性。 一、地震概述 地球是由地殼、地幔和地核構(gòu)成。地震是地殼運動的一種表現(xiàn),與地質(zhì)構(gòu)造有密切的關(guān)系。按其成因可分為:火山地震、陷落地震、誘發(fā)地震和構(gòu)造地震。其中構(gòu)造地震發(fā)生的次數(shù)最多,涉及的范圍最廣,釋放的能量最大,造成的危害也最大,是地震工程研究的主要對象。 構(gòu)造地震的成因是:由于地應(yīng)力在某一地區(qū)逐漸增加,巖石變形也不斷增加,到一定時候,在巖石比較薄弱的地方突然發(fā)生斷裂錯動,部分應(yīng)變能突然釋放,其中一部分能量一波的形式在地層中傳播,引起地面震動,就產(chǎn)生地震。 一次地震的大小是由震級來衡量的。按震級的大小,地震可分為威震、有感地震、中強地震和強震。地震破壞作用大小是由地震烈度來衡量的,它表示某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受某一次地震影響的強弱程度。對于一次地震來說,震級只有一個,烈度則隨著地點的變化而有若干個。以往一個地區(qū)的抗震設(shè)防一般情況下采用基本烈度,基本烈度是指該地區(qū)今后一個時期內(nèi),在一般場地條件下可能遭遇到的最大地震烈度。地震的烈度、震動峰值與場地有關(guān),而且隨著震中距的加大高頻成分的衰減大于低頻成分。 當震源巖層發(fā)生斷裂、錯動時,巖層所積聚的變形能突然釋放,引起劇烈的振動,振動以彈性波的形式從震源向各個方向傳播并釋放能量,這種波就稱為地震波。地震波分為體波和面波,體波又分為縱波和橫波。縱波是由震源向四周傳播的壓縮波,又稱P波,縱波在傳播過程中,其介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的前進方向一致,質(zhì)點間的彈性相對位移疏密相間,所以也稱為疏密波,縱波引起地面豎向振動;橫波是由震源向四周傳播的剪切波,又稱S波,橫波在傳播過程中,其介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的前進方向垂直,橫波只能在固體介質(zhì)中傳播,橫波引起地面水平方向震動。面波分為瑞利波和樂浦波。當某地發(fā)生地震時,縱波先到達地面,而后是橫波,最后是面波。

二、 地震災害現(xiàn)象 地震造成的地表破壞現(xiàn)象主要有地表斷裂、滑坡、沙土液化、軟土震陷等。

1、地表斷裂 地表斷裂又稱地裂縫, 分為構(gòu)造地裂縫與重力地裂縫兩種。構(gòu)造地裂縫與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān),是地震斷層錯動后在地表留下的痕跡。其切割很深,可以從地殼內(nèi)的巖層直達地表,不受地貌影響?裳泳d數(shù)十至上百公里。重力地裂縫是由于地面土質(zhì)軟硬不均勻及微地貌重力影響,在地震動作用下形成的,與震前土質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)密切相關(guān),在震區(qū)分布極廣。

2、滑坡 軟弱黏性土土坡, 層理傾斜或有軟弱夾層等不穩(wěn)定的邊坡, 在地震時由于附加水平力的作用或土層強度降低而發(fā)生滑動。導致修筑在這些邊坡或附近的建筑物損壞。地震引起的滑坡是山區(qū)或丘陵地區(qū)的震害特點。在不穩(wěn)定的人工邊坡開挖面及平原地區(qū)河岸也會出滑坡。

3、沙土液化 飽和沙土在地震的作用下,結(jié)構(gòu)破壞,土顆粒發(fā)生相對位移,體積收縮,孔隙水壓力暫時顯著增大, 當孔隙水壓力上升到與外部壓力相等時,沙土顆粒便形同“液體”呈懸浮狀態(tài),使土體抗剪強度喪失;另一方面,高壓力孔隙水在噴出地面時,同時將沙土顆粒一并帶出,形成“噴水冒沙”現(xiàn)象。 4、軟土震陷 在強震作用下,土體結(jié)構(gòu)被擾動,強度降低,孔隙水壓力增大,從邊界排出,軟黏土被壓密,產(chǎn)生沉隱或不均勻沉陷。這種不均勻沉陷引起的內(nèi)力重分布可導致結(jié)構(gòu)特別是超靜定結(jié)構(gòu)破壞乃至倒塌。

三、橋梁的震害原因 國內(nèi)外學者對橋梁震害的調(diào)查研究結(jié)果表明, 現(xiàn)在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發(fā)生,而順橋向震害尤其嚴重,分析其破壞原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面,即:

1、地震位移造成的梁式橋梁上部活動節(jié)點處因蓋梁寬度設(shè)置不足導致落梁或梁體相互磁撞引起的破壞, 而對拱式結(jié)構(gòu)則主要表現(xiàn)在拱上建筑和腹拱的破壞,拱圈在拱頂、拱腳產(chǎn)生的破損裂縫,甚至整個隆起變形。

2、由于地基土(如飽和粉細紗和飽和粘沙土)的地震液化影響,同樣加大了地震位移的影響,進而放大了結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng),使落梁的可能性增大。當采用排架樁基礎(chǔ)時,則使樁基的承載力降低, 從而造成與地震反應(yīng)無關(guān)的過大的豎向和橫向位移,而簡支梁橋?qū)Υ擞葹槊黠@。另外,由于地基軟弱,地震時當部分地基液化失效后引起了結(jié)構(gòu)物的整體傾斜, 下沉等嚴重變形,進而導致結(jié)構(gòu)物的破壞,震害較重。

3、支座破壞,在地震力的作用下,由于支座設(shè)計沒有充分考慮抗震要求, 構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足, 或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素, 導致了支座發(fā)生過大的位移和變形,從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等,并由此導致結(jié)構(gòu)力的傳遞形式的變化,進而對結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

4、軟弱的下部結(jié)構(gòu)破壞, 即由于橋梁下部結(jié)構(gòu)不足以抵抗其自身的慣性力和支座傳遞的主梁的地震力,導致結(jié)構(gòu)下部的開裂、變形和失效,甚至傾覆,并由此引起全橋的嚴重破壞。

5、在松軟地基上的橋梁,特別是特大橋、大中橋,地震時往往發(fā)生河岸滑移,使橋臺向河心移動,導致全橋長度的縮短,這類震害是比較嚴重的。

6、另外橋梁結(jié)構(gòu)的震害還表現(xiàn)在如結(jié)構(gòu)構(gòu)造及連接不當造成的破壞、橋臺臺后填土位移過大造成橋臺沉降或斜度過大造成橋墩臺承受過大的扭矩而引起的破壞等多種原因。

四、橋梁震害破壞形式 橋梁的震害無非就是發(fā)生在橋梁的組成部位上的破壞。通常橋梁都是由上部結(jié)構(gòu)、支持連接構(gòu)件、墩臺等下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成。所以橋梁震害大體分為四類:

1、上部結(jié)構(gòu)破壞對于梁式結(jié)構(gòu)由于地震效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)本身的破壞在報道中見的不多。梁式結(jié)構(gòu)破壞多是在地震作用下支撐連接構(gòu)件破壞或下部結(jié)構(gòu)失效導致的落梁。而落梁對墩臺側(cè)壁的撞擊又對下部結(jié)構(gòu)造成破壞。拱式結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為拱上建筑和腹拱破壞, 拱圈在拱腳和拱頂出現(xiàn)裂縫, 拱圈隆起變形甚至倒塌。

2、支撐連接構(gòu)件破壞橋梁的支座、伸縮縫和剪力鍵等薄弱的構(gòu)件在外力作用下總是最易受損的。1975 年海城地震,9 度區(qū)的大石橋鎂礦專用線上趙家堡大橋(5~16m鋼筋混凝土梁)