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养护与管理—如何应对桥梁震害 ?

地震又称地动、地振动,是地壳快速释放能量过程中造成的振动,期间会产生地震波的一种自然现象。

地震动是地震与结构抗震之间的桥梁,是工程地震研究的主要内容,也是结构抗震设防时必须考虑的问题。

为适应现代社会对交通运输发展的需要,世界上已经和正在建造越来越多的公路或公铁两用桥梁。随着桥梁跨径的不断增长,汽车和列车运行速度的不断加快,车流密度的日益增加以及车辆轴重的逐渐加大,应对在地震作用下的保证桥梁的安全问题也成了桥建造方与设计方所需要考虑的问题


一、桥梁震害现象分析

二十世纪七十年代以来,国内外了发生过一系列较大的地震,有许多桥梁遭受了不同程度的破坏。通过对这些震例进行调查研究,分析桥梁结构的抗震性能、震害特点及产生原因,可以总结出以下几点: 

1.1地基与基础破坏

地基破坏主要是指因砂土液化、不均匀沉降及稳定性不够等因素引起的地层水平滑移,下沉、断裂,进而导致结构物的破坏,震害较重。基础的破坏与地基的破坏紧密相关,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,桩基础可能发生剪断、倾斜破坏,进而引起墩台倾斜、倒塌或折断。 

1.2桥台沉陷当地震作用下,由于桥台后填土与桥台并非完全固结,桥台填土的纵向土压力增大,桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当大的被动土压力,使桥台有向桥跨方向移动的趋势。由于桥面的支撑作用,桥台将以桥台顶端为支点产生竖向旋转,从而导致基础破坏。论文检测。若桥台基础建造在液化土上,则可能引起桥台垂直沉陷, 最终导致桥台因承受过大的扭矩而破坏。

1.3墩柱破坏。墩柱破坏主要包括弯曲强度不足、弯曲延性不足、纵筋搭接区的抗弯能力以及剪切强度不足等。墩柱的破坏往往引起连锁反应,如落梁、整个结构的倒塌等。

1.4支座破坏。在地震力的作用下,如果上、下部结构的相对位移过大可能造成支座锚固螺栓拔出、剪断,活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等,导致结构力传递形式的变化,进而对结构的其他部位产生不利的影响。

1.5落梁破坏。支撑连接构件失效后,上、下部结构的相对位移进一步加大,相邻梁体发生相互冲击,造成撞击破坏甚至落梁的发生。  

1.6节点破坏。节点区域钢筋大量相交,连接节点在地震荷载和重力荷载的作用下处于复杂而又变化的应力状态,常导致节点区域混凝土的压碎和锚固筋的破坏。 

1.7盖梁破坏。盖梁的破坏形式主要表现为抗剪强度不足或锚固筋不能满足抗拉要求,引起锚固端破坏。


二、桥梁进行隔震设计的好处和重要性

2.1 桥梁隔震设计的重要性

    桥梁设计中的隔震设计指的是在桥梁建设时安装隔震器,它可以使桥梁在水平方向上得到柔性支承,这样就使水平方向上的周期延长,另外还要安装阻尼器来,这样做是为了提高桥梁的阻尼效应,可以再地震发生时降低地震的作用。

近些年,国外一些发达国际在桥梁的隔震设计方面加强了研究取得了很多重大的突破。但我国在这些方面还比较落后,研究还处于初级阶段且缺乏系统性,主要一些方法大多采用国外的研究经验和成果。

2.2 桥梁隔震设计的好处

在桥梁的设计中加强隔震设计,可以有效地改善和分解地震后的地震力在各结构支座间力的分布情况,这样可以保护桥梁的基础部位,同时对桥梁的上部结构可以有效地支撑和保护。

在桥梁设计中的相关隔震设计可起到调节横向刚度的作用,这样可以改善桥梁结构扭转平衡的问题,有效地降低了地震力。

在桥梁设计中的上部结构时,采用隔震减少甚至消除地震后桥梁的上下部结构出现的超出建设弹性范围的现象, 防止超出弹性范围后局部部位发生变形。

在桥梁设计中进行隔震系统的设计,可以取得比普通抗震设计更好的抗震效能,这样就在不增加工程造价的情况下,还提高了工程的质量。

在桥梁的隔震设计中采用的隔震支座若在正常使用条件下,由于温度的变化或者其它的形变而发生变化,它们的形变相对也较小,这样就能为城市建设中高架桥梁设计中多跨连续梁桥的采用,即减小伸缩缝的使用提供了方便。

与那些未采用隔震设计的桥梁相比较,采用了隔震设计的桥梁可以在经历了较大的地震后,较容易地更换隔震设计和装置,且维修的时间相对较短,维修的费用也相对较低。

 

三、抗震概念设计

“小震不坏,中震可修,大震不倒”的分类设防抗震设计思想已广为接受,而能力设计思想也越来越广泛地被国内外专家学者所接受。能力设计思想要求在一座桥梁内部建立合理的强度级配,以保证地震破坏只发生在预定的部位,而且是可控制的。具体来说,要选择理想的塑性铰位置并进行仔细的配筋设计以保证其延性抗震能力;而不利的塑性铰位置或破坏机制(脆性破坏)则要通过提供足够的强度加以避免。

大跨度桥梁的抗震设计应分两阶段进行:

1)在方案设计阶段进行抗震概念设计,选择一个较理想的抗震结构体系;

2)在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计,并根据能力设计思想进行抗震能力验算,必要时进行减、隔震设计提高结构的抗震能力。


四、提高桥梁抗震性能的几点方法

抗震理念应该贯穿在整个桥梁的设计过程中,从设计方案开始注重桥梁的抗震性能,通过反复的实验和推敲来确定桥梁方案。

实用的抗震方法,是通过增加结构的柔性来延长结构的自振周期,这样一来可以增加结构的阻尼并减小地震载荷,二来可以减小地震所引起的结构反应,实质就是减小地震的危害。

目前来说,比较有效和容易实现的提高桥梁的抗震性能的方法有如下几种。

1、隔震支座法

隔震支座法是在抗震应用的较为广泛的方法。这种方法是通过增加结构的柔性和阻尼来减小桥梁的地震反应的。具体做法是采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处,通过设计或是应用新材料来实现结构柔性和阻尼的增加。这个方法是有大量的实验理论依据作支撑的,很多试验的分析结果都反映出桥梁连接处的结构与对地震的反应是有着直接关系的。以上的连接方法可以有效的减小墩、台所受的水平地震力,从根本上减小了地震的影响,提高了桥梁的抗震性能。

2、利用桥墩延性

桥墩的延性是抗震设计中可以加以利用的特点。由于桥墩自身是具有延性的,将这一性质加强。在强震时,这些部位形成的稳定延性塑性铰可以产生弹塑性变形,这样变形将延长结构的周期同时耗散地震的能量。利用桥墩自身加强的延性,将地震力通过限度内的塑性变形渐渐分散,是在桥梁设计中比较容易实现的抗震方法。延性的抗震设计,需要根据弹性反应来计算塑性变形的程度,然后根据抗震等级进行修正,尽可能提高桥梁的抗震载荷。在桥梁的抗震设计规范中,综合影响系数用来反映塑性变形程度,所以根据综合系数可以知道桥梁的抗震能力。

3、采用隔震支座和阻尼器相结合的系统

隔震支座法可以提高桥梁的抗震性能,增加对地震力的阻尼也是提高桥梁性能的方法,将二者结合起来,抗震性能加倍。隔震支座和阻尼器可以在地震的作用下,加强桥墩的弹塑性变形从而耗散地震能量,使地震的危害减小,也就是加强了桥梁的抗震性。

4、引进新型桥梁的抗震设计方法

在传统的桥梁抗震设计中,主要方法是用“蛮力”,也就是通过提高强度和增强延性来保证可以抵御地震的能力,自身的力比地震的力大时,当然可以岿然不动。但是这种方法应用在实际中时,其抗震能力是不得而知的,而地震的作用也是无法预知的。当两个未知因素,在实际的情况时发生,与人们所期待的结果相反,桥梁自然遭到损害了,这样的例子在实际中是很多的。新型的桥梁设计多采用型钢混凝土结构,这种结构与传统的混凝土结构有着很多先进之处。因为型钢混凝土结构的承载能力高于同样外形的钢筋混凝土的一倍以上,而且前者抗剪能力、延性都明显的高于后者,这样抗震能力自然得到提到。除此之外,新型的型钢混凝土结构能够吸收、隔离和耗散地震能量,将桥梁的地震反应减小,从而避免了较大的变形造成的不可恢复的变形。这样的结构不但提高了桥梁结构的安全度,而且还可以节约材料、降低造价,可以说是首选的抗震方法。

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,桥梁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,有助于提高和完善桥梁的安全性、耐久性。

 

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