徐一卓 马 蒿
0 引言
环太平洋地震带和欧亚地震带是世界上的两个主要地震带,环太平洋地震带是地球上最活跃的地震带,集中了全世界80%以上的地震,释放的能量占全球地震释放总能量的75%。我国部分地区位于欧亚地震带上,大部分地区夹在这两大地震带之间,是一个多地震的国家[1]。随着社会进步和经济发展,突发而至带有巨大破坏力的地震已成为造成重大经济损失和社会问题的各种自然灾害之首。尤其是近几年发生的如1995年日本兵库县南部地震、1999年中国台湾集集地震以及2008年发生的汶川地震等,人员伤亡和经济损失非常惨重[2]。
瞬间发生的地震及其后续余震将可能造成地震的一、二、三次震害,形成灾害链。不仅地震灾害的巨大能量会造成大量地面建筑物和各种设施的破坏与倒塌,在次生灾害中因交通及其他设施的毁坏造成的间接经济损失也十分巨大。
1 桥梁震后检测加固的必要性
公路交通是国民经济大动脉,也是抗震救灾生命线工程之一。当地震发生时,桥梁较易发生破坏,通常修复时间较长,给震后救援及灾区重建工作带来较大影响。保证桥梁在地震作用下以及地震后仍能通行,成为桥梁建设中的一个重要课题。
1.1 结构破坏及规范要求
对桥梁结构进行震后检测及加固技术的研究,其必要性来自两个方面:首先是地震中的部分桥梁遭受严重破坏,需要进行修复或加固;其次是随着新规范的颁布执行、设计方法的发展和更新,许多按以前方法设计的或根本就没有进行抗震设计的桥梁的抗震性能需要重新进行评估。相当数量的桥梁,尤其是早期修建的桥梁,由于资金短缺,设计、施工标准低,加上技术管理薄弱,施工质量不能保证这些桥梁的使用寿命,有些很快就变成危桥;由于桥梁管护不善、大自然风霜雨雪的侵蚀以及环境污染的日益加重,造成桥梁自身老化破损,衰老加快,寿命缩短。对这些桥梁,通过评估及有效的加固,力求能够提高单个构件以及整个桥梁体系的抗震性能,以满足现存规范及交通提出的抗震设防要求。
1.2 地震特征的要求
通过对世界范围内历次发生的地震特征进行分析发现,地震在空间上和时间上具有丛集的特征。在一定时间内,发生在同一震源区的一系列大小不同的地震,且其发震机制具有某种内在联系或有共同的发震构造的一组地震总称为地震序列。在地震序列中,震级最大的称为主震,主震前的小震则称为前震,主震后发生的地震称为余震。强度等级高的地震,往往会伴随着强余震的发生。
现行的国内外抗震规范在确定地震载荷时,只考虑了主震影响,没有考虑地震序列中的强余震对结构的抗震性能造成的影响,这对于结构抗震来说既不安全也不全面[4]。如我国1976年发生的M7.8级唐山大地震中,主震后15 h内发生了M6.8和M7.1级强余震各一次。滦河大桥在3:42发生的M7.8级主震中并未倒塌,而是在M7.1的强余震中发生桥墩折断、桥梁落架、倒塌,当时该桥正在忙于救灾运输。目前国内外对地震序列作用下结构物的破坏研究很少涉及。中国地震局地球物理研究所赵金宝以量化形式研究了建筑物相继经历主震、余震作用下的破坏状态[5]。然而,各类桥梁在余震中的抗震能力并没有具体的研究,桥梁在震后的抗震能力评估与加固仍是保证结构在地震中通行能力的有效措施。
2 抗震震害与加固的实施
抗震加固实施时,必须了解桥梁的构造特性与地震震害之间的关系。根据公路桥至今的震害实例分析结果,针对发生震害的主要原因提出相应的措施,从而保证结构在地震中的抗震能力。
2.1 桥梁的震害
1)上部结构震害:上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形较为少见,往往是由于桥梁结构其他部位的毁坏而导致上部结构的损坏。如地震时相邻梁体相互碰撞而引起的破损,因支座的螺栓起拔或剪断引起撞击而使变形过大等损伤。2)支座震害:地震中,桥梁支座的震害极为普遍。其原因主要是支座设计没有充分考虑抗震的要求,构造上连接与支挡等构造措施不足,某些支座形式和材料的缺陷等因素。破坏形式主要表现为支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落以及支座本身构造上的破坏等。3)落梁震害:桥梁落梁有的是墩倒梁落,也有的是梁落而毁墩。其主要原因有:桥台倾斜或倒塌、河岸滑坡、地基下沉、桥墩破坏、支座破坏、梁体碰撞、相邻墩发生过大相对位移等。4)下部结构和地基震害:下部结构和基础的严重破坏是导致桥梁震后难以修复的主要原因。桥梁墩台因砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或开裂引起破坏很难加强它们的抗震能力。
2.2 抗震加固措施
作为可能采取的震前对策,可以提出防止落梁的构造、液化、冲刷、基础施工方法、下部结构形式、下部结构材料、主筋减少部位、地震动加速度等方法,可针对各种震害提出相应的抗震加固措施。
针对上部结构及落梁震害,采用减、隔震支座在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地震反应,利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的。在伸缩缝、铰和梁端等上部接缝处采用拉杆、挡块、连梁装置或者增加支承面宽度等措施,以防止落梁震害的发生。
针对支座及支撑连接件的震害,目前的做法是增加支承面宽度和在简支的相邻梁间安装纵向约束装置,或者增加支承面宽度。
对于下部结构震害,应通过能力设计和延性设计,提高其抗弯延性和抗剪强度,防止桥墩弯曲和剪切震害,增加其耗能能力,使桥梁的屈服只发生在预期的塑性铰部位。目前桥墩加固的主要技术有:混凝土加大截面加固方法,钢板外包加固法,钢纤维混凝土加固法,复合材料、玻璃纤维、碳素纤维加固法等。对无筋混凝土结构,有可能产生脆性破坏,需要寻求结构上的抗震加固对策。可采用混凝土衬套方法和钢板衬套方法使衬套与既有的桥墩结合成一个整体。
3 结语
桥梁的抗震减灾涉及桥梁工程、地震、防灾减灾等多方面的研究,尽管我国桥梁抗震与加固的水平已有较大的提高,但仍远远落后于国外。我国的桥梁抗震缺乏持之以恒的基础性研究,对于公路桥梁抗震能力的评估和加固至今仍没有相应的标准。哪些桥梁可能会在地震中损坏甚至倒塌仍然没有清晰的概念。针对现状,建议加强桥梁施工、控制技术与桥梁抗震加固新技术的研究,发展桥梁抗震的随机分析方法,结合各种抗震措施补充结构在控制方法上的不足。充分吸收国外已有的研究成果,针对我国桥梁的实际情况,开展必要的试验研究和理论分析工作。结合“小震不坏、中震可修、大震不倒”的分级设防标准,尽快提高我国桥梁抗震加固的技术水平,确保公路工程各结构具有足够的抗震安全度。
[1]赵荣国,李卫平,张 虹.2005年地震灾害综述[J].国际地震动态,2006(1):20-23.
[2]谢 旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2006:3-14.
[3]李福万.下承式系杆拱桥抗震性能分析[J].山西建筑,2008,34(21):296-297.
[4]周仕勇,许忠淮.地震序列研究综述[J].中国地震,1999,15(3):267-277.
[5]丁文胜.下承式刚架系杆拱桥的抗震设计方法及试验研究[D].南京:东南大学,2006.
