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梁桥是怎么抗震的?

来源:原创文章  发布时间:2023-05-11  浏览量:4673

中国是个多地震的国家,地震活动的范围广、强度大、频率高。在全球大陆地区的大地震中,约有四分之一至三分之一发生在我国,造成了巨大的人员伤亡与财产损失,有多座城市曾毁于地震。2021年以来,我国发生了2021年“5·22”青海玛多地震、“9·16”泸县地震和2022年“1·8”门源地震等10余次不同震级的地震,一些地震对公路基础设施造成较大的破坏和影响。

在国家和各地的重要交通通道中,在人民的日常生产生活当中,桥梁往往是生命线工程的关键部分,在震后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。当地震灾害来临时,震区桥梁的破坏意味着生命线的中断,直接阻碍了救灾行动,加大生命财产以及间接经济损失,给灾后恢复与重建带来巨大困难。

地震时一旦桥梁发生坍塌,也会瞬间引爆舆情。我国桥梁的抗震设计水平如何?我国在桥梁建设上有没有应对地震的办法?有哪些措施和考量?

下面就和大家聊一聊梁桥抗震这些事。



什么是地震




我们先来了解一下什么是地震?

人类生活的地球,就像我们的脉搏,从它形成那一刻起,就从来没有停止过颤动,地球在漫长的构造运动中逐渐演化成目前深不见底的海沟,高耸入云的山峰。地球表面的隆起和沉陷造成瞬间快速的颤动就是地震。地震在空间、时间上发生的不确定性大大增加了预测的困难度,短临地震预报是人类尚未攻克的世界性难题。

按地震成因可将地震划分为构造地震、火山地震、塌陷地震等。由于地球内部构造运动引起的地下深处岩层错动、破裂所造成的地震是构造地震。全球所发生的90%以上的地震属于这类地震,破坏力也最大。

用来衡量地震强度大小的尺子有两把,一把叫地震震级;另一把叫地震烈度。地震的震级反映的是地震能量的大小,可根据地震仪器的记录计算出来,一次地震只有一个震级。目前世界上记录到的最大地震震级是1960年5月22日发生在南美智利的9.5级地震。

地震烈度是地震对地面影响和破坏程度的尺度,按照《地震烈度表》,共分为Ⅰ级~Ⅻ级等级。一次地震只有一个震级,但一次地震在不同地区的烈度是不同的。一般而言,震中地区烈度最高,随着震中距加大,烈度逐渐减小。地震烈度还与震源深度有关,震源越深,震中区烈度越小。有的地震震级不高,却因震源浅而造成地面严重破坏。

这太专业了,简单来说,地震震级好比不同瓦数的日光灯,瓦数越高能量越大,震级越高。烈度好比屋子里受光亮的程度,对同一盏日光灯来说,距离日光灯的远近不同,各处受光的照射也不同,所以各地的烈度也不一样。

由于地震的复杂性和高度不确定性,人类对地震科学及地震灾害科学的研究还有许多尚未探明之处。1976年唐山地震之前,唐山地区的抗震设防烈度为VI度区,唐山地震7月28日发生时,唐山市区大部分陷入地震烈度高达XI度的极震区,多数结构物倒塌,震害严重,X度区桥梁破坏严重,Ⅷ度区桥梁受到不同程度的损坏,甚至倒塌。发生在1994年的美国北岭(Northridge)地震,记录到的地面运动加速度峰值,远远超过美国现行抗震规范规定的设计地震动水平,对洛杉矶地区高速公路系统的破坏十分严重,在调查的640座桥梁中,5座桥梁部分塌落或者完全倒塌。

大量地震调研表明,地震造成的强地面振动和发震活动断层地表破裂/错动是导致破坏的两个主要因素,其中沿活动断层产生的地震地表破裂/错动的破坏力巨大,在活动断层沿线展布的地震地表破裂带内,建(构)筑物均遭受了严重的毁坏,会形成地震灾害最严重的区带。1999年的中国台湾集集地震,地表破裂位错水平及垂直方向最大值均接近和超过10米,平均错位约为4米,跨发震断层—车笼埔断层的建筑物很难承受如此巨大的地动位移,几乎完全毁坏,而离开此断层一段距离的建筑物震害就小很多。



受震害最多的桥型是梁桥




地震的基本知识了解完了,我们再来聊一聊地震对桥梁的影响。

截至2020年年底,我国公路桥梁91.28万座,量大面广的梁桥占比超85%。

梁桥震害包括上部结构震害、下部结构震害、支座震害、基础震害及次生震害等。

上部结构自身因直接地震动力效应而毁坏的现象较为少见,但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象,在破坏性地震中常有发生,其中落梁现象最为严重。2008年四川汶川地震中,梁桥主梁的移位震害最为普遍。

图片汶川地震南坝大桥(施工中)落梁震害

图片青海玛多地震昌麻河大桥落梁(1977年建成)

地震引起下部结构震害主要是桥墩的破坏,桥墩无法抵抗自身的惯性力或上部结构传来的上部结构地震力,因延性、强度不足而破坏。震害进一步发展,会导致断裂面上下的墩身移位,最终使断裂面以上的墩身翻落而酿成更大的震害。

图片汶川地震百花大桥桥墩弯剪破坏

桥梁支座是桥梁抗震的薄弱部位,震害极为普遍,相邻梁互相碰撞或梁的纵、横向位移,大多数都是以支座破坏为前导破坏形式,主要表现为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。

地震引起地基的液化,使地基承载力下降,会引起桥梁基础的下沉。桥梁墩台的沉陷多出现在承载力不高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使得地基的剪切强度大大降低,桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层水平滑移或转动。

地震所引发的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生灾害对桥梁的损毁严重,是汶川地震较为严重的震害形式。

图片汶川地震鱼子溪2号桥被落石砸垮

梁桥所有震害中,落梁和砸毁是桥梁最严重的震害之一,不仅造成了大量的经济损失,更是中断了抗震救灾的生命线,影响巨大。

因此,这也成为了引发公众舆论的重要因素之一。



抗震设计理念




那么对于桥梁抗震,我们是否有办法应对呢?

答案是有的。

其实,每次工程震害的总结和反思是发展抗震救灾理论、改进抗震技术、修订抗震规范的重要基础。特别是近30年来,随着1994年美国Northridge地震、1995年阪神地震、2008年汶川地震等的发生,推动了桥梁抗震设计理论和减震技术取得了长足的进步。

这些年,公路行业高度重视公路桥梁的抗震安全性,以抗震规范制修订为主要抓手,持续推动行业抗震设计的技术进步,使抗震理念更加科学,抗震措施更加有效,提升公路桥梁抗震防灾的能力。

1977年,交通部颁布实施了我国首部《公路工程抗震设计规范》 (以下简称“77规范”),总结了海城地震和唐山地震对铁路和公路交通干线桥梁的震害教训,公路桥梁的抗震设计有了基本依据;1989年,交通部修订颁布了《公路工程抗震设计规范》(简称“89规范”)。

从设计理念和方法来讲,这两部抗震规范均采用了一水准抗震设防,一阶段抗震设计,只验算结构强度,抗震计算则采用等效静力法和反应谱法。

2008年5.12汶川地震后,交通运输部颁布了《公路桥梁抗震设计细则》(简称08抗震细则),采用了两水准设防、两阶段设计的抗震设计理念和方法,由单一的依据强度验算的抗震设计调整为依据强度和变形双重指标控制的抗震设计。

2013年,交通运输部颁布了《公路工程抗震规范》(JTGB02—2013)(简称13抗震规范),系统形成了两水准设防、两阶段设计的抗震设计理念和设计方法,增加了桥梁延性设计和减隔震设计的基本要求。

2020年,交通运输部修订颁布了《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T 2231–01―2020)(简称20抗震规范),进一步完善和补充了08抗震细则,并将计算地震作用系数取值由2.25提高到2.5,提高抗震设计的要求,引入了“抗震构造措施等级”的新概念。

总体来说,我国公路桥梁抗震规范体系已经形成,主要包括《公路工程抗震规范》(JTG B02—2013)、《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T2231–01―2020),能够指导公路桥梁的抗震设计。13抗震规范是20抗震规范的上位标准,对公路工程的构造物,包括桥梁、隧道、挡土墙、路基、地基与基础等提出总的抗震要求,是公路工程抗震设计的顶层设计规范,是工程初步设计方案确定阶段重点使用的规范。20抗震规范是一个细化的桥梁抗震设计规范,是施工图阶段工程师要使用的规范。

根据近年来发生的7.1级玉树地震、6.5级鲁甸地震、6.6级昭通地震、7.4级玛多地震的震后调查,桥梁的主体结构基本完好。以上结果,与量大面广的公路桥梁采用了科学的理念和较高的设计要求以及各类抗震构造措施密切相关,也说明了我国的公路桥梁抗震规范是合理适用的。



持续完善抗震规范




改革开放以来中国桥梁实现了跨越式发展,未来其安全性、耐久性及安全保障问题将是进一步解决的主要问题。

提升公路桥梁抗震减灾能力是提高桥梁安全水平的重要一环。国务院在2021年7月公布了《建设工程抗震管理条例》,从国家层面对建设工程抗震提出了总体要求,要求进一步提高建设工程的抗震防灾能力,降低地震灾害风险,保障人民生命财产安全。

作为基础类标准的《公路工程抗震规范》(JTGB02—2013)自颁布至今已近十年,国家对抗震防灾提出了新的要求,新一代中国地震动参数区划图已颁布实施,工程结构防灾减灾理论和技术、抗震结构型式以及相关产品的研发都取得了重大进展,可以及时将相关成果纳入行业抗震标准中,因此交通运输部在2020年启动了规范的修订工作,中交公路规划设计院有限公司牵头对抗震规范修订。此次修订,结合抗震团队研究成果、地震震害调研和思考等,系统提出了公路工程抗震共性技术及要求,强化了抗震概念设计、防落梁措施及风险管控,提出了基于新型支座和防落梁措施的梁桥抗震结构体系。



抗震设计主要经验




先需要选择好线路,利用对抗震有利的走廊带通道,选好桥位,降低地震风险和损失。由于高地震烈度区地震对桥梁破坏力巨大,因此中小跨径桥梁尽量采用简支或桥面连续结构型式,大跨桥梁宜选择多跨连续梁或连续刚构结构型式,桥墩高度宜协调一致。地质条件差的地段,对跨越断裂带的宜采用简支梁桥、大跨柔性体系桥或者采用隔震基础。存在落石、泥石流等不良地质条件的地段,采用隧道或加大桥梁跨径等方案。

再有就是桥梁细部构造很重要。一是要预留足够的墩(台)与梁端位移空间,以降低落梁和梁端碰撞的风险。二是设置合适的抗震挡块,限制强烈地震作用下主梁的过大位移,挡块与主梁间可设置橡胶垫等,以避免直接碰撞。三是在主梁之间、主梁与墩(台)之间可设置拉索、钢拉杆等防止落梁的连梁装置。四是合理选择减隔震装置。对于悬索桥、斜拉桥、拱桥而言,应设置必要的阻尼装置。鼓励推广应用技术可靠、性能稳定的减隔震支座。中小跨径桥梁更适合使用改进型板式橡胶支座。

对于桥梁抗震主要有两个不同策略,刚性抗震和柔性抗震。桥梁抗震的两大方法是隔震和耗能。隔震原理下的延性设计和隔震设计已经被规范收录采用,而采用耗能原理的各种阻尼器还未在规范中体现,所以我们说说阻尼器。

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总之:

地震具有高度不确定性、随机性,具有持续时间短、能量释放剧烈等特点,人类对地震的认识还远远不够,这给桥梁结构的安全带来了巨大挑战。但我们可以抗震规范为基本抓手,强化概念设计,加强监测,降低风险,进一步强化抗震减震产品的标准化、系列化、规范化,设置好“防落梁”保险丝,显著提升公路桥梁抗震防灾能力。

转载来源:西藏高速及公路工程标准化/交通运输部公路局技术管理处张建军。


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