【科普百科】國外減隔震橋梁的失效分析


大多數橋梁專家以及相關的媒體都過於推崇橋梁的正麵效應,如美觀的外形特征、交通問題的解決程度以及結構設計上的創新點等等。然而,無論在國外還是國內,橋梁的失效案例都屢有發生,而對其失效的原因卻鮮見詳細科學的報道和分析。這對於橋梁事業的進步和發展是不利的,它導致了完全可以避免的錯誤接踵發生。

案例一:博盧高架橋1號線概況

1999年,土耳其西部發生了7.2級大地震,據統計共造成1000多人死亡,5000多人受傷,震害區絕大多數建築物都遭到了破壞。當時,作為連接土耳其博盧省西部和山嶺地區交通樞紐的博盧高架橋工程幾乎已經竣工。


采用了“先進”的隔震和耗能技術的博盧高架橋1號線卻在此次地震中沒能幸免,遭到了嚴重的破壞


博盧高架橋失效原因分析

博盧高架橋的破壞引起了許多地震工程和橋梁工程界人士的高度重視。在大地震發生以後,美國M.C.Constantinou教授等人多次對該高架橋進行設計和破壞的深入調查和研究。他們的結論是:博盧高架橋的破壞是由於其結構保護係統(即地震隔離係統)的失效所引起。根據計算分析結果並結合現場調查,指出了地震隔離係統的設計存在以下嚴重問題:

1.隔震係統的位移能力不足。依據AASHTO標準驗算可得,該高架橋隔震係統的最大位移為820mm。而原設計的隔震係統的極限位移僅有210mm(滑動支座)——480mm(屈服耗能裝置的極限位移)。通過利用博盧和達茲兩處地震觀測站分別對地震場地進行了地麵運動情況的觀測,並模擬了近斷層的運動情況,得到的峰值位移應為1400mm。這巨大的差別說明了該設計不僅非常不合理(隔震的兩部分位移能力不同),也遠遠不能滿足達茲近場大地震的要求。

2.屈服後的剛度值偏低。為了確保隔震裝置在地震中能自動回複原位,在1991年或1999年的AASHTO設計規範中均要求,在設計50%最大位移時,裝置的橫向恢複力應大於支座承受重力的2.5%。該支座承受的重力為14200kN,50%的最大位移160mm時的恢複力僅有1652kN,為重力的1.2%。遠不能滿足設計要求,無法保證支座恢複原位。

3.地震隔離係統的周期不符合設計規範要求。對於1080kNm的屈服後剛度以及14200kN的重力荷載,該隔震橋梁的周期應為7.27s,為了不使隔震係統有過大的位移,在1999年的AASHTO規範中將這個周期限製為最大6s。但該橋也不符合這一規範要求。

4.結構保護係統沒有足夠的安全儲備。顯然,在對這座橋梁進行隔震產品的設計過程中,並沒有考慮到高架橋將承受到如此大的地震動作用,致使整個隔震係統遭到了完全的破壞。然而,意外的超荷載情況時有發生,在橋梁構造設計中必須充分考慮,並采取必要措施才能滿足人們對橋梁的使用安全要求。顯而易見,連上述各項設計指標都不能滿足,就更談不上安全儲備。


案例二:日本On-Neton橋在1993年Kushiro-Ok地震中的反應

1993年日本發生了7.8級Kushiro-Ok地震,日本地震工作者在約30km、震源深度107km處,1961年修建的On-Neton老橋上下采集到了該地震下的地震記錄。這些記錄被用來分析對比該老橋旁的On-Neton新橋。該新橋設計采用了結構保護係統新技術,A1附助墩和P1墩上設置了橡膠支座,在墩P1、P2和P3上設置了帶鉛芯的橡膠支座。該橋地處日本北部,30年內最低溫度達-9°C,處於日本嚴寒地帶。

地震並沒有給橋梁帶來巨大破壞,僅在P4墩上發生較大位移。然而,寶貴的地震記錄被用來對該新橋進行計算分析。分析時,該橋的橡膠支座使用了不同溫度作用下的試驗參數(見表1)。用記錄到的強震記錄對具有真實試驗參數的On-Neton新橋進行時程分析。分析結果表明,在-20°C的情況下會產生幾乎比20°C時幾乎大一倍的墩底峰值彎矩,遠大於原支座的設計參數(表2)。



案例三:英國塞沃爾高架橋失效案例

修建於1963年英國的塞沃爾高架橋是一座橫跨曼徹斯特大運河的著名高架橋,全長1.4km,高25m,由36個跨結構組成,1996年,承包人Amec將塞沃爾高架橋進行了重新翻修,耗資2700萬英鎊。這次翻修的部分內容是對該橋的支座進行了更換,安裝了新的輥軸支座和搖擺支座。然而,在重新翻修不到6年,2002年6月的常規檢查中發現,橋梁的輥軸支座受到了不同程度的破壞。最嚴重的甚至在單車道下方直徑為160mm的實心鐵柱形的輥軸支座裂成了兩半。如果沒有及時被發現,高架橋的混凝土墩和鋼梁都會超載並導致一連串致命的結構破壞。隨後整個高架橋立即停止了交通運營,重新檢修。專家們還對這座橋進行了進一步的試驗和研究,漸漸地發現了全局的問題。為了保證整個高架橋最終的安全,高速公路管理局於2003年4月宣布,塞沃爾高架橋上所有的136滾動支座都要再次進行更換。全部換成滑動支座。全英多位橋梁專家和上百個工程師負責設計、監控和評估所有滾動支座替換的方案。

1996年花費巨資翻修過的塞沃爾高架橋的支座何以再次發生破壞,專家們隨後作了相關調查分析。他們從支撐中跨橋墩的8個滾動支座中取下了4個支座進行了化學試驗,發現這些滾動支座受到了顆粒間腐蝕。專家還推測,其它的支座也都可能受到了同樣的損壞。已經發現損壞的支座有17個。支座開始出現破裂的時候並不明顯,到熱脹作用使支座開始搖動時才會使裂縫進一步暴露。隨後發現,他們一直認為性能穩定的搖擺支座也開始出現了問題,由於聚四氟乙烯的薄板暴露,使搖擺支座一直處於惡劣的工作環境。專家們又取下了其中兩個搖擺支座對其進行進一步的評估。最終,高速公路管理局決定更換包括滾動支座在內的一共148個支座。直到2005年2月,該高架橋才開放交通,共花費5200萬英鎊。


如今的塞沃爾高架橋全景




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