王瑋津,付 威

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

汶川大地震中公路簡支梁橋橫向落梁現(xiàn)象的初步分析

王瑋津,付 威

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

“5·12”汶川大地震造成震中及周邊地區(qū)橋梁設(shè)施大規(guī)模坍塌及損壞。文章針對(duì)地震造成的公路簡支梁橋橫向落梁現(xiàn)象初步研究了《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ004-89中的有關(guān)規(guī)定;建立了相關(guān)的模型,做了初步分析;提出了相應(yīng)的防治措施;并對(duì)該課題的進(jìn)一步研究提出了設(shè)想。

地震; 簡支梁橋; 橫向落梁; 措施

汶川地處山區(qū),此次大地震導(dǎo)致震中以及周邊地區(qū)公路橋梁、公路交通設(shè)施及公路建筑物損毀嚴(yán)重。調(diào)查顯示,公路橋梁多為簡支梁橋,橋梁橋臺(tái)損壞較少,墩柱常見剪切破壞和地基液化導(dǎo)致的不均勻沉降;落梁現(xiàn)象較多,未落梁部分梁體的橫向移位也較嚴(yán)重。

公路橋梁作為交通干道的重要組成部分,其破壞往往給地震后的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作帶來巨大的困難,加重次生災(zāi)害[1]。因此對(duì)公路橋梁的破壞進(jìn)行分析,以及研究相應(yīng)的有效抗震防護(hù)措施就顯得尤為重要。本文僅對(duì)地震中,公路簡支梁橋的橫向落梁這一種破壞形式的成因及相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行初步分析。

1 地震對(duì)橋梁的破壞

地震對(duì)橋梁的破壞主要是由于地表破壞和橋梁受震破壞引起的。

1.1 地表破壞

地表破壞有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等現(xiàn)象。

地裂會(huì)造成橋梁跨度的縮短、伸長或墩臺(tái)下沉等嚴(yán)重的橋跨和墩臺(tái)變形,從而導(dǎo)致落梁?；?、塌方和岸坡滑移多發(fā)生在在陡峻山區(qū)或砂性土和軟黏土河岸處,會(huì)直接導(dǎo)致橋梁墩臺(tái)乃至整體破壞,從而引起落梁。砂土液化多發(fā)生在淺層的飽和疏松砂土處,致使墩臺(tái)不均勻下沉,從而引起落梁。

圖1 支座破壞

1.2 橋梁受震破壞

橋梁受震破壞是由于地震使橋梁產(chǎn)生水平面內(nèi)的縱向、橫向震動(dòng)和豎向震動(dòng),造成橋梁的破壞。有些橋梁雖然在強(qiáng)度上能夠承受地震的振動(dòng)力,但由于梁體、支座與墩臺(tái)間產(chǎn)生了過大的相對(duì)位移,因而導(dǎo)致橋梁破壞(圖 1～圖 3)。

圖 2 落梁破壞、橋墩傾斜

圖3 橫向變位

橋梁受震破壞主要表現(xiàn)為:①橋臺(tái)、橋墩傾斜、開裂、折斷或下沉;②支座彎扭、斷裂、傾倒或脫落;③橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)間相對(duì)位移;④落梁。

這四種破壞主要表現(xiàn)形式在橋梁震害中往往是以組合的方式出現(xiàn)的。其中,第三種形式與第四種形式間聯(lián)系緊密。嚴(yán)格的說來,相對(duì)位移達(dá)到一定程度時(shí),梁體就會(huì)從支座上掉落,即第三種形式的進(jìn)一步發(fā)展就是第四種形式。

1.3 橋梁落梁及其原因

引起橋梁落梁的原因有很多。其一是橋梁墩臺(tái)破壞,引起落梁。其二是支座破壞,引起上部結(jié)構(gòu)從支承上脫落;或者梁與橋墩(臺(tái))的相對(duì)位移過大,支座喪失約束能力,引起落梁。其三是擋塊的裂損引起落梁。此外,還有其他一些原因也會(huì)引起落梁,本文不再贅述。

本文僅討論橋墩(臺(tái))等橋梁下部結(jié)構(gòu)完整的情況下,因橫向水平地震力導(dǎo)致梁體和支座間產(chǎn)生過大的相對(duì)位移,從而引起的橫向落梁現(xiàn)象。

2 公路簡支梁橋的結(jié)構(gòu)與抗震要求

2.1 公路橋的結(jié)構(gòu)

簡支梁橋是一種在豎向移動(dòng)式荷載作用下無水平反力的結(jié)構(gòu)體系。震中及附近地區(qū)在地震中破壞的公路橋多為簡支梁橋(圖4)。

圖4 簡支梁橋示意

2.2 規(guī)范對(duì)公路簡支梁橋的橫向抗震要求

2.2.1 橋墩

按我國《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ004-89(以下簡稱《規(guī)范》)第 4.2.2條進(jìn)行公路簡支梁橋橋墩的水平地震作用計(jì)算[4](圖 5)。

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

《規(guī)范》中默認(rèn)橋墩在橫橋向水平地震荷載作用下為一階振型,橋墩變形曲線如圖 5所示。假設(shè)在此振型下墩頂?shù)淖畲笪灰?X10=1。梁橋橋墩所承受的橫橋向水平地震荷載按下列公式計(jì)算。

式中:Eihp為作用于梁橋橋墩質(zhì)點(diǎn) i的水平地震荷載(kN);Ci為重要性修正系數(shù);Cz為綜合影響系數(shù);Kh為水平地震系數(shù);β1為相應(yīng)于橋墩順橋向或橫橋向的基本周期的動(dòng)力放大系數(shù);γ1為橋墩順橋向或橫橋向的基本振型參與系數(shù);X1i為橋墩基本振型在第 i分段重心處的相對(duì)水平位移。

由上式可得,橋墩(臺(tái))頂部所受地震荷載:

2.2.2 橋臺(tái)

按《規(guī)范》第 4.2.9條橋臺(tái)的橫向水平地震作用計(jì)算如下:

式中:Ehau為作用于臺(tái)身重心處的水平地震作用力(kN);Gau為基礎(chǔ)頂面以上臺(tái)身的重力(kN)。

《規(guī)范》未作明確規(guī)定縱向及橫向荷載的區(qū)別,在此默認(rèn)為縱向與橫向采用同一公式計(jì)算。規(guī)范上未給出結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖,分析應(yīng)類似于橋墩,在此不做贅述。

2.2.3 支座

按《規(guī)范》第 4.2.12條支座的橫向水平地震作用計(jì)算如下:

式中:Ezb為作用于固定支座或活動(dòng)支座上橫橋向的水平地震荷載(kN);Gsp為上部結(jié)構(gòu)重力(kN),對(duì)于簡支梁橋?yàn)橐豢咨喜拷Y(jié)構(gòu)重力的一半。

根據(jù)規(guī)范,取支座為研究對(duì)象,受力分析如圖6。支座受到橫橋向水平地震荷載 Ezb和與梁體間的摩擦力f。因?yàn)橐?guī)范假設(shè)支座與橋墩間無相對(duì)位移,支座與橋墩視為一體,所以支座所受到的合力等于橋墩所受到的橫橋向水平地震荷載F,即有F=F'-f。

因?yàn)閒始終為正值,所以F恒大于F′,即橋墩受到的橫橋向水平地震荷載恒大于支座受到的橫橋向水平地震荷載。故在此假設(shè)支座受到與橋墩同樣大小的橫橋向水平地震荷載,取荷載的較大值偏于安全,也便于下文建模分析計(jì)算。

2.2.4 梁體

《規(guī)范》對(duì)梁體無具體條文?！兑?guī)范》中第 4.1.3條的條文說明中明確指出:根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),凡按常規(guī)設(shè)計(jì)的簡支梁橋上部構(gòu)造,即使受到 9度甚至 10度地震的影響也基本上沒有什么破壞,而僅在上、下部構(gòu)造的連結(jié)部位發(fā)生比較輕微的震害。因此簡支梁的上部構(gòu)造可不進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

2.2.5 分析

《規(guī)范》中的上述條文,對(duì)橋墩受到地震荷載的橫向水平位移有明確規(guī)定;默認(rèn)為支座與橋墩為同一整體;對(duì)橋臺(tái)的橫向水平位移沒有明確規(guī)定;對(duì)梁體不要求進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算,默認(rèn)當(dāng)橋墩、橋臺(tái)和支座均滿足抗震要求時(shí),梁體與支座間沒有相對(duì)位移。

在此次汶川大地震中,在公路簡支梁橋的橋墩(臺(tái))和支座均沒有破壞的情況下,仍然有橫向落梁現(xiàn)象發(fā)生,與《規(guī)范》所述有所不符。因此,有必要重新考慮此種情況,本文針對(duì)橋墩(臺(tái))和支座均完整的情況下,對(duì)梁體與支座間產(chǎn)生的橫向水平相對(duì)位移進(jìn)行初步分析,并提出相應(yīng)的防治措施。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

3 地震中公路簡支梁橋橫向落梁現(xiàn)象的初步分析

3.1 相關(guān)假設(shè)

為了簡化計(jì)算模型,本文做出相關(guān)假設(shè)如下;

(1)因?yàn)楸疚膬H研究公路簡支梁橋的橫向落梁,所以將地震力簡化為只考慮橫橋向水平地震力的影響,忽略順橋向水平地震力和豎向地震力的影響。

(2)為了簡化橋墩的計(jì)算模型,將橋墩視為剛體,只受到橫橋向水平地震力的作用。由 2.2.2可得,為了簡化橋臺(tái)的計(jì)算模型,假設(shè)橋臺(tái)與橋墩的計(jì)算模型相同。

(3)為了簡化支座的受力,假設(shè)支座為剛體,不考慮支座的自身變形。假設(shè)支座與橋墩為同一剛體,二者間無相對(duì)位移;假設(shè)支座為各向同性材料,順橋向與橫橋向的摩擦系數(shù)相同(均為μ)。由 2.2.3節(jié)可得,為了簡化支座的計(jì)算模型,假設(shè)橋墩受到的橫橋向水平地震荷載等于支座受到的橫橋向水平地震荷載。

(4)為了簡化梁體的計(jì)算模型,假設(shè)每一片梁體完全相同。同理,假設(shè)每一個(gè)橋墩完全相同。

3.2 地震傳力過程

隨著地震的開始,橫橋向水平地震荷載逐漸作用于橋墩上。在前面的假設(shè)中已默認(rèn)橋墩和支座為一個(gè)整體,故認(rèn)為支座所受到的橫橋向水平地震荷載與橋墩相同。因?yàn)槊恳粋€(gè)橋墩完全相同,所以認(rèn)為每一個(gè)橋墩所受到的橫橋向水平地震荷載大小相同,方向可能相同也可能相反。

根據(jù)上述假設(shè)可以推出,同一片梁體的兩個(gè)橋墩,所受到的橫橋向水平地震荷載的組合情況有兩種:第一種組合為兩個(gè)橋墩受到大小相等,方向相同的地震荷載,墩頂?shù)奈灰仆瑫r(shí)同向;第二種組合為兩個(gè)橋墩受到大小相等,方向相反的地震荷載,墩頂?shù)奈灰仆瑫r(shí)反向。

3.3 橫向落梁分類

支座與梁體間有摩擦力,支座通過摩擦力將地震荷載傳遞給梁體。

隨著地震的開始,在橫橋向水平地震荷載的作用下,橋墩和支座開始產(chǎn)生位移,梁體在靜摩擦力的作用下與支座一起做橫橋向運(yùn)動(dòng),梁體與支座間沒有相對(duì)位移。

隨著橫橋向水平地震荷載的增加,橋墩與支座的位移逐漸增大。當(dāng)橫橋向水平地震荷載的大小達(dá)到梁體與支座間的最大靜摩擦力大小時(shí),梁體與支座就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。當(dāng)相對(duì)位移達(dá)到一定大小時(shí),梁體就會(huì)從支座上傾落,即落梁。

基于 3.2節(jié)中推出的結(jié)論——橋墩所受的地震荷載有兩種組合,可以進(jìn)一步推出支座傳遞給梁體的摩擦力也有兩種組合,可以再進(jìn)一步推出橫向落梁現(xiàn)象也有兩種(圖7)。

圖7 落梁示意圖

現(xiàn)象一:同一片梁的兩端均受到支座傳來的一對(duì)大小相等、方向相同的摩擦力作用,梁體做平移運(yùn)動(dòng),最后向橫橋向的同一方向呈水平平移狀落梁。

現(xiàn)象二:同一片梁兩端均有受到一對(duì)大小相等、方向相反的摩擦力作用,梁體繞中點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),最后成轉(zhuǎn)角為 θ的水平轉(zhuǎn)體狀落梁。

3.4 模型分析

3.4.1 模型建立

由 3.2節(jié)、3.3節(jié)中假設(shè)和推導(dǎo)可知,兩種落梁現(xiàn)象雖然不同,但是取一半梁體和每個(gè)支座作為研究對(duì)象時(shí),受力分析是完全相同的。

假設(shè)每片梁體長度為 L,一半梁體重量為 G/2。支座質(zhì)量為 m,寬度為b。建立模型如圖 8所示。

3.4.2 受力及位移分析

如前所述,地震開始時(shí),梁體與支座一起運(yùn)動(dòng),此時(shí)橋墩與支座所受到的橫橋向水平地震荷載F等于梁體所受的靜摩擦力f,即F=f。隨著橫橋向水平地震荷載的增加,梁體與支座開始出現(xiàn)橫橋向相對(duì)位移,此時(shí)F大于梁體與支座間的最大靜摩擦力fj,即F>fj。出現(xiàn)相對(duì)位移后,梁體與支座間的摩擦力為滑動(dòng)摩擦力fd,有fd=μ×(G/2)。理論上可知fj>fd。

圖8 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

3.4.3 橫向落梁的極限條件

當(dāng)梁體與支座間的橫橋向相對(duì)位移ΔS超出半個(gè)支座寬度,即ΔS=b/2時(shí),梁體就會(huì)從支座上掉下,即落梁。嚴(yán)格來講,可能在ΔS還沒有超出半個(gè)支座寬度時(shí),梁體已失去平衡從支座上掉下。所以,應(yīng)將半個(gè)支座寬度b/2乘以一個(gè)折減系數(shù)k,即發(fā)生橫向落梁的極限條件為ΔS>b/2×k(k為折減系數(shù),0

3.4.4 防止橫向落梁的措施

為了防止公路簡支梁橋的橫向落梁,本文采用的是在梁體與支座發(fā)生橫橋向水平相對(duì)位移的方向設(shè)置擋塊,使梁體與支座間不產(chǎn)生橫橋向相對(duì)位移;或產(chǎn)生不至于落梁的橫橋向相對(duì)位移,便于震后修復(fù)將梁體移回原位,從而達(dá)到防止橫向落梁的目的(圖9)。

3.4.5 擋塊受力計(jì)算

從 3.4.3節(jié)推導(dǎo)可得,當(dāng)梁體與支座無相對(duì)位移時(shí),擋塊受力為最大值;當(dāng)梁體與支座有相對(duì)位移時(shí),擋塊受力未達(dá)到最大值。為了簡化計(jì)算,本文僅計(jì)算第一種情況——梁體與支座無相對(duì)位移時(shí)擋塊受力的最大值。

擋塊受力為最大值時(shí),梁體與支座無相對(duì)位移,即 ΔS= 0。梁體位移S2應(yīng)等于支座位移 S1,即 S2=S1。由假設(shè)可知,支座位移與墩頂位移Xl0相等,即S2=S1=Xl0。滿足這一條件時(shí),梁體受到的合外力與橋墩所受到的地震荷載大小相等。

圖9 橫向擋塊示意

圖 10 梁體受力分析簡圖

設(shè)擋塊此時(shí)受到的外力為 Fx,取一半梁體作為受力分析的對(duì)象,受力分析如圖 10所示,則有:

擋塊的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)Fx的大小來確定。擋塊的設(shè)計(jì)受橫橋向水平力應(yīng)大于計(jì)算所得的Fx,嚴(yán)格來講,等于Fx乘以一個(gè)安全系數(shù)k',即=Fx×k′(0

擋塊的詳細(xì)設(shè)計(jì),如配筋等在此不做贅述。

4 擋塊及其他防止橫向落梁措施的特點(diǎn)

4.1 擋塊及特點(diǎn)

橋梁防震擋塊是最常見的防止橫向落梁的裝置之一。經(jīng)調(diào)查,在汶川大地震中,橋梁防震擋塊在一定程度上防止了橫向落梁,但擋塊自身受損嚴(yán)重。當(dāng)擋塊的受損達(dá)到一定程度時(shí),橫向防落梁的功能就會(huì)失效。因此,分析擋塊的受損原因以及相應(yīng)的解決措施是必要的。

經(jīng)調(diào)查,這些擋塊的受損通常發(fā)生在擋塊與蓋梁(臺(tái)帽)的連接部位,受損的原因主要有三點(diǎn):

(1)梁體與擋塊發(fā)生橫橋向的相對(duì)移動(dòng)時(shí),擋塊受到撞擊,同時(shí)與蓋梁的連接處存在較強(qiáng)的剪切作用;

(2)部分擋塊尺寸較小,配筋不足,擋塊與蓋梁之間鋼筋連接考慮不足;

(3)橋梁在施工過程中處理不當(dāng),或設(shè)計(jì)不符合要求。

針對(duì)以上三點(diǎn),為避免地震造成公路簡支梁橋的橫向落梁,從設(shè)計(jì)上來講應(yīng)優(yōu)化擋塊設(shè)計(jì),避免因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的擋塊裂損;從施工上來講應(yīng)注意相關(guān)工藝的處理。二者缺一不可。

4.2 其他防止橫向落梁的措施及特點(diǎn)

其他防止橫向落梁的裝置還有很多,例如中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的橋梁抗震連桿防落梁構(gòu)造(申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào):200820223121)。它包括設(shè)置在相鄰梁體之間和橋臺(tái)與梁體之間的連桿裝置,在橋梁全長方向上形成至少一聯(lián)柔性連接體系,利用柔性連接體系在橋臺(tái)與梁體、梁體與梁體之間建立起連接聯(lián)系,降低地震對(duì)橋梁造成的橫向落梁破壞,有效地起到防止橫向落梁的作用。

另外,設(shè)置防止橫向落梁裝置的目的是為了限制上部結(jié)構(gòu)與橋墩頂部的相對(duì)變形,這與隔振設(shè)計(jì)的原則有一定的沖突。因此,必須對(duì)這些防落梁構(gòu)造措施所造成的隔震橋梁動(dòng)力特性的影響進(jìn)行深入研究[3]。

5 結(jié) 論

(1)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ004-89中相關(guān)條文默認(rèn)簡支梁橋的梁體與支座間相對(duì)位移可以忽略不計(jì),與此次汶川大地震中公路簡支梁橋的橋墩、支座均完好時(shí)發(fā)生的橫向落梁現(xiàn)象有所不符。有必要重新考慮梁體與支座間產(chǎn)生的橫向水平相對(duì)位移的產(chǎn)生條件,進(jìn)行相關(guān)的分析,并提出相應(yīng)的防治措施。

(2)為了分析公路簡支梁橋橫向落梁的產(chǎn)生原因,本文做出了相關(guān)假設(shè),建立了相關(guān)的力學(xué)模型,進(jìn)行了受力分析,初步確定了橫向落梁的極限條件。

(3)擋塊能限制橫橋向位移,在地震中起到了一定程度上的橫向防落梁作用,但發(fā)揮作用的同時(shí)也對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)有一定的影響。這些影響在某種組合下,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞,從而引起落梁。因此,應(yīng)就擋塊的合理設(shè)計(jì)與設(shè)置進(jìn)行深入的研究。

6 展 望

由上述分析和結(jié)論可以看出,本課題還有進(jìn)一步研究的必要性,例如擋塊的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、擋塊對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響等。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997

[2] 王志強(qiáng),范立礎(chǔ).防落梁裝置對(duì)隔震橋梁動(dòng)力特性的影響[M].北京:人民交通出版社,2001

[3] 魯傳安,胡世德.強(qiáng)震區(qū)大跨高墩連續(xù)梁橋抗震性能研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2007,23(6)

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U442.5+5

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2010-08-08