国外减隔震桥梁的失效分析
  创建时间: 2016-05-10 16:12

大多数桥梁专家以及相关的媒体都过于推崇桥梁的正面效应,如美观的外形特征、交通问题的解决程度以及结构设计上的创新点等等。然而,无论在国外还是国内,桥梁的失效案例都屡有发生,而对其失效的原因却鲜见详细科学的报道和分析。这对于桥梁事业的进步和发展是不利的,它导致了完全可以避免的错误接踵发生。

案例一:博卢高架桥1号线概况

1999年,土耳其西部发生了7.2级大地震,据统计共造成1000多人死亡,5000多人受伤,震害区绝大多数建筑物都遭到了破坏。当时,作为连接土耳其博卢省西部和山岭地区交通枢纽的博卢高架桥工程几乎已经竣工。

采用了“先进”的隔震和耗能技术的博卢高架桥1号线却在此次地震中没能幸免,遭到了严重的破坏

博卢高架桥失效原因分析

博卢高架桥的破坏引起了许多地震工程和桥梁工程界人士的高度重视。在大地震发生以后,美国M.C.Constantinou教授等人多次对该高架桥进行设计和破坏的深入调查和研究。他们的结论是:博卢高架桥的破坏是由于其结构保护系统(即地震隔离系统)的失效所引起。根据计算分析结果并结合现场调查,指出了地震隔离系统的设计存在以下严重问题:

1.隔震系统的位移能力不足。依据AASHTO标准验算可得,该高架桥隔震系统的最大位移为820mm。而原设计的隔震系统的极限位移仅有210mm(滑动支座)——480mm(屈服耗能装置的极限位移)。通过利用博卢和达兹两处地震观测站分别对地震场地进行了地面运动情况的观测,并模拟了近断层的运动情况,得到的峰值位移应为1400mm。这巨大的差别说明了该设计不仅非常不合理(隔震的两部分位移能力不同),也远远不能满足达兹近场大地震的要求。

2.屈服后的刚度值偏低。为了确保隔震装置在地震中能自动回复原位,在1991年或1999年的AASHTO设计规范中均要求,在设计50%最大位移时,装置的横向恢复力应大于支座承受重力的2.5%。该支座承受的重力为14200kN,50%的最大位移160mm时的恢复力仅有1652kN,为重力的1.2%。远不能满足设计要求,无法保证支座恢复原位。

3.地震隔离系统的周期不符合设计规范要求。对于1080kNm的屈服后刚度以及14200kN的重力荷载,该隔震桥梁的周期应为7.27s,为了不使隔震系统有过大的位移,在1999年的AASHTO规范中将这个周期限制为最大6s。但该桥也不符合这一规范要求。

4.结构保护系统没有足够的安全储备。显然,在对这座桥梁进行隔震产品的设计过程中,并没有考虑到高架桥将承受到如此大的地震动作用,致使整个隔震系统遭到了完全的破坏。然而,意外的超荷载情况时有发生,在桥梁构造设计中必须充分考虑,并采取必要措施才能满足人们对桥梁的使用安全要求。显而易见,连上述各项设计指标都不能满足,就更谈不上安全储备。

案例二:日本On-Neton桥在1993年Kushiro-Ok地震中的反应

1993年日本发生了7.8级Kushiro-Ok地震,日本地震工作者在约30km、震源深度107km处,1961年修建的On-Neton老桥上下采集到了该地震下的地震记录。这些记录被用来分析对比该老桥旁的On-Neton新桥。该新桥设计采用了结构保护系统新技术,A1附助墩和P1墩上设置了橡胶支座,在墩P1、P2和P3上设置了带铅芯的橡胶支座。该桥地处日本北部,30年内最低温度达-9°C,处于日本严寒地带。

地震并没有给桥梁带来巨大破坏,仅在P4墩上发生较大位移。然而,宝贵的地震记录被用来对该新桥进行计算分析。分析时,该桥的橡胶支座使用了不同温度作用下的试验参数(见表1)。用记录到的强震记录对具有真实试验参数的On-Neton新桥进行时程分析。分析结果表明,在-20°C的情况下会产生几乎比20°C时几乎大一倍的墩底峰值弯矩,远大于原支座的设计参数(表2)。

案例三:英国塞沃尔高架桥失效案例

修建于1963年英国的塞沃尔高架桥是一座横跨曼彻斯特大运河的著名高架桥,全长1.4km,高25m,由36个跨结构组成,1996年,承包人Amec将塞沃尔高架桥进行了重新翻修,耗资2700万英镑。这次翻修的部分内容是对该桥的支座进行了更换,安装了新的辊轴支座和摇摆支座。然而,在重新翻修不到6年,2002年6月的常规检查中发现,桥梁的辊轴支座受到了不同程度的破坏。最严重的甚至在单车道下方直径为160mm的实心铁柱形的辊轴支座裂成了两半。如果没有及时被发现,高架桥的混凝土墩和钢梁都会超载并导致一连串致命的结构破坏。随后整个高架桥立即停止了交通运营,重新检修。专家们还对这座桥进行了进一步的试验和研究,渐渐地发现了全局的问题。为了保证整个高架桥最终的安全,高速公路管理局于2003年4月宣布,塞沃尔高架桥上所有的136滚动支座都要再次进行更换。全部换成滑动支座。全英多位桥梁专家和上百个工程师负责设计、监控和评估所有滚动支座替换的方案。

1996年花费巨资翻修过的塞沃尔高架桥的支座何以再次发生破坏,专家们随后作了相关调查分析。他们从支撑中跨桥墩的8个滚动支座中取下了4个支座进行了化学试验,发现这些滚动支座受到了颗粒间腐蚀。专家还推测,其它的支座也都可能受到了同样的损坏。已经发现损坏的支座有17个。支座开始出现破裂的时候并不明显,到热胀作用使支座开始摇动时才会使裂缝进一步暴露。随后发现,他们一直认为性能稳定的摇摆支座也开始出现了问题,由于聚四氟乙烯的薄板暴露,使摇摆支座一直处于恶劣的工作环境。专家们又取下了其中两个摇摆支座对其进行进一步的评估。最终,高速公路管理局决定更换包括滚动支座在内的一共148个支座。直到2005年2月,该高架桥才开放交通,共花费5200万英镑。

如今的塞沃尔高架桥全景




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