论地震对桥梁结构的影响及破坏形式

论地震对桥梁结构的影响及破坏形式【摘要】当前我国交通建设事业发展较快，桥梁不管是在数量上还是在延伸长度方面上都在与日俱增，特别是在城市，高架桥已经成为了主要的交通动脉。然而，在地震的强烈影响下，桥梁设施会遭受巨大破损，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，在我国公路交通建设中，必须加强提高桥梁的抗震能力以减轻一些损失。为此本文就阐述了地震对桥梁结构的影响及破坏形式，以期对提高桥梁的抗震能力提供理论支撑。【关键词】地震；桥梁结构；影响；破坏形式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、公共性强的特点，而且维护管理也显得比较困难。因此在抗震防灾、危机管理系统中，桥梁成了一个重要的组成部分。因而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中已成为了主要的交通动脉，给居民日常生活活动带来了方便，为国民经济中起到了重要作用。但是在地震的强烈影响下，桥梁设施会遭受巨大破损，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，在我国公路交通建设中，必须加强提高桥梁的抗震能力以减轻一些损失。1.地震对桥梁结构的影响地震对桥梁结构的破坏，其主要有以下两种方式：第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振动。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受到影响。1.1场地运动引起的结构振动(第一种影响)图1．1表示地震波从震源到结构物的传播过程示意图。如图所示，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至地下的深层基岩，然后由深层基岩传到表面土层的场地，因此建筑在地基上的桥梁结构物在场地运动的影响下而产生振动以及变形。对于柔性结构的地震响应来说，不仅仅取决于同场地的振动外，而且还取决于相对于地基的振动，但是刚性结构的地震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影响程度不仅仅取决于场地运动特性，同时还取决于结构物自身特有的动力特性(如振动周期、阻尼等)。根据图1．1的地震波传播方式来看，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至地下的深层基岩，第二阶段由深层基岩传到表面土层的建筑物。在第一阶段，地震波在传播的过程中，其波形的变化主要体现为振幅逐步减弱。按照机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，因此也将它为距离衰减。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，因此波在土层之间便产生折射和反射，然后传播至地表面。基岩位置的地震波和地面的地震波振幅特性与周期相比存在着明显的不同，这种不同与地表面土层的地质条件和结构有着密切得联系；按照地震波传播过程中的特点，在研究分析结构地震响应时，不仅仅要考虑震源产生的地震规模，而且还要考虑表面土层的土质条件和结构、地震波的传播距离等的影响。图1.1地震波传播途径示意图1.2场地相对位移引起结构的变形(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梁及墩的结构损伤、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构振动影响来说更难以预防，因而对于桥梁抗震的设计比较困难，目前的研究还在进一步探索完善中。2.桥梁结构的地震破坏形式根据在实际生活中桥梁产生的地震破坏情况来看，混凝土桥梁受到地震破坏的主要形式体现有以下几方面。2.1弯曲破坏桥梁结构物因受到水平地震荷载作用，其弯曲变形严重致使混凝土T型柱的表面保护层掉落，钢筋压屈以及内部的混凝土被压碎、崩裂，从而使得桥梁结构物承载能力下降。其破坏的整个过程如下。2.1.1当弯矩超过了开裂许应力时，在截面就会产生水平弯曲裂缝(图a所示)。2.1.2当裂缝不断扩展和荷载强度增大后，受拉侧的纵筋超过了它的屈服强度(图b所示)。2.1.3在变形量增大的过程中，混凝土保护层逐步掉落、塑性铰范围也逐渐扩大(图c所示)。2.1.4内部混凝土被压碎、崩以及裂钢筋被拉断(图d所示)。在钢筋混凝土桥梁结构物在受到弯曲破坏时，变形能力较好，即使在破坏产生以后，因其塑性变形能够减轻地震能量和刚度下降能够使地震荷载的强度减弱，基于这种特性，这种形式的破坏常可以不让桥梁在地震中产生倒塌。2.2剪切破坏桥梁结构物在水平地震荷载的作用影响下，当其T型柱遭受的剪切力大于截面剪切强度时，桥梁会产生剪切破坏，其破坏的整个过程为。2.2.1当截面弯曲超过开裂强度时，在截面处就会产生水平弯曲裂缝(图a所示)。2.2.2随着裂缝的逐步扩大以及荷载强度的增大，柱内就会发生斜方向的剪切裂缝(图b所示)。2.2.3随着局部剪切裂缝的发展，箍紧屈服致使剪切裂缝进一步增大(图c所示)。2.2.4出现脆性的剪切破坏。当地震发生时，剪切破坏会导致桥梁遭受致命性的破坏，这种形式的破坏在实际中发生得教多(图d所示)。2.3落梁破坏当梁体的水平位移过大并大于梁端支撑长度时，就会导致桥梁产生落梁破坏。其原因主要是因为墩和梁的相对位移过大，使得支座的约束能力消失从而引发，当梁的支撑长度不够、桥墩之间地震相对位移过大、梁间地震碰撞以及支座破坏等情况。2.4支座损伤支座损伤主要是上部结构的地震惯性力经过支座传至下部结构，当传递荷载过大并超过支座强度时，支座便产生破坏、损伤。落梁破坏主要就是因支座损伤引起的。■【参考文献】［１］陆本燕,刘伯权等.基于RC桥梁墩柱的地震损伤模型比较分析[J].土木工程学报,2010,(S1).［２］单波.FRP加固钢筋混凝土柱考虑地震及使用损伤的长期性能和修复[D].湖南大学,2006.［３］江辉.近场地震下桥梁结构基于性能抗震设计的能量方法[D].北京交通大学,2007.［４］张菊辉,胡世德.桥梁地震易损性分析的研究现状[J].结构工程师,2005,(06).注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文