浅析地震力学理论及桥梁结构震害

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浅析地震力学理论及桥梁结构震害

摘要：地震是常见的自然灾害之一，其主要是由于地球板块的运动而产生的，地震会对地面的建筑物造成不可逆的损害，严重危害人民的生命财产安全和社会经济发展。在各类建筑物中，桥梁是最易受到震害的建筑物之一，桥梁震害不仅危害桥梁上行人和车辆的安全，同时也破坏了抗震救灾的生命线。本文从地震和地震波的成因讲起，详细分析了各类桥梁震害及其产生原因，并对桥梁的抗震设计提出了意见。

关键词：地震；震害；桥梁 1引言

地震是一种在地球上发生较为频繁的地理现象，其主要是因为地球的板块在相互运动的过程中，发生相互碰撞后，在地表层产生较大的振动现象。地震发生时，地表的振动往往会带动地表建筑物等附着物振动，对其造成不可逆的损伤，靠近震中的地带往往会有较大的生命财产损失。地震多发于地震带的附近，其中微小型地震一年往往要发生多达上千次，大型地震次数虽少，但是破坏力巨大，地面上的建筑物通常会受到严重损害，其中又以桥梁最易收到震害。桥梁是重要的交通组成部分，深入研究地震的成因和地震对桥梁的影响，是正确有效设计桥梁的重要前提。

2地震成因及地震波概述 2.1地震成因

地震的类型可以分为火山地震、塌陷地震、人工地震、诱发地震和构造地震等，其中构造地震特指由板块构造运动，相互碰撞而产生的地震，在各种地震种类中占据绝大多数，人类历史上几次较大大型的地震都是构造地震。在构造地震中，根据震源的深度可以划分为浅源地震和深源地震，其中浅源地震造成的损伤最大，所以也是人类研究的主要对象。源于构造地震的成因，当前研究领域内还存在不同的学说，普遍的说法是地球内部存在一定的地应力，地应力通常在板块的交界处聚集，当这一地引力达到一定程度后，地表的结构不能承受此应力的大小，所以就会在地表中较软的地质处产生较大规模的振动和断裂，同时伴随着巨大的能量产生，该能量以波的形式传播，从而带动地表振动，从而产生了地震。如图1所示为地震发生的模型图。

图1 地震发生示意图

地应力的积累是一个较缓慢的过程，它的产生还是一个没有完全解决的问题。一种学说认为形成构造体系的力源来自地球自转速度的变化。断层学说认为构造地震发生断裂错动的地方形成断层，称为震断层，震断层上发生的地震占到总共地震发生次数的百分之九十以上，究其原因，通常是因为地震带的地区不但是应力集中的区域，而且此区域的地质强度很低，难易承受较大的地应力，从而导致了地震的发生。[1] 2.2地震波

地震的能量以波的形式向地表传播，这种波称为地震波，地震波的传播是近似地按弹性波理论作分析研究的。从震源产生的纵波和横波通过地基为媒介将波动传向地表，从地质学方面分析，浅层到地表的这一区域，纵波传播速度快于横波，纵波的速度大概为横波的1.5倍，所以导致离震源越远的地方，纵波和横波的时间差越大，这就使得地震测量时纵波远远早于横波的到达。这两种波是从震


源在地球体内向各方传播，所以总称为体波（如图2所示）。[2]

图2 地震波的组成

纵波的特点是波长大但是振幅小，波形的振动方向和波的前进方向相互平行，因为先于横波达到，所以纵波也是最先影响地表的波。由于纵波对受力物体有压应力特性，所以地震发生时，地表的建筑物往往是先受到纵波的振动而损坏。而横波的振动方向则和波的前进方向相互垂直，具有剪应力特性。地表层是一个多种土质混合体，地震波在传播的同时也会相互影响，从而生成其他波，所以地震波并不能用单一的波形来分析，混合简谐波是地震波的主要存在形式，这种复杂的波形很容易带来桥梁的共振，对于桥梁的损害是持续的。地震工程分析的领域内认为，地震波是地面建筑物受力的来源，因此，地震波的组成和传播规律具有很大的研究意义。 3桥梁震害分析

地震对桥梁的影响主要是对桥梁产生不可逆的机械性损害，如断裂、倒塌、倾斜等，桥梁如缺乏正确的抗震设计，在地震时将遭受严重的损坏。历史上的数据显示，地震引起的桥梁毁坏占到桥梁毁坏总数的一半以上，远远高于风灾、水灾等多种灾害形式的总和。[2]同时，桥梁工程为生命线工程之一，桥梁的损害会造成交通运输的中断，这对于震后救灾造成极大困难。因此，研究地震波对建筑物的作用和桥梁力学结构，对于合理加强桥梁的结构强度，提升其抗震水平有着重要意义。

3.2桥梁不同结构震害 3.2.1上部震害

在地震发生时，单一的桥梁上部损伤所占比例的极小的，一般来说，桥梁上部通常受到的是连带损伤，也就是桥梁的其他部分发生振动、断裂、毁坏时导致的上部损害。当发生地震时，地震波带动桥梁的地基产生振动，如果此时的振动频率和桥梁振动的固有频率相近，则会引起整个结构的大幅度晃动，进而导致整个桥梁结构开始共振，梁体在振动的过程中相互碰撞而损伤。[3]另外，在铁路桥梁上，下部的固定螺栓被拔起而导致的上部震害也时有发生，铁路桥梁的辅助设施例如道岔或铁轨也会遭受不同程度的损伤。 3.2.2支座震害

在地震波到来时，特别是中高强度的地震波到来时，因为离传力点相对较近，桥梁结构中的支座最易收到损害，因此，桥梁支座也是桥梁抗震中所需要考虑最为重要的环节之一。桥梁支座的损害形式主要有：支座螺钉被拔出或者断裂、支座受剪应力而导致物理断裂、支座和其他结构连接处损伤。而且，更为严重的是，支座的损害往往会导致支座上部的桥梁梁体受力不均，上部结构极易倾覆。同时，支座毁坏后，桥梁原本的力学平衡被打破，导致桥梁很难再被修复。

如在唐山地震中，公路简支梁桥的钢筋混凝土摆柱支座，大都在梁体产生较大位移时倾倒、脱落，轻则梁体撞向墩帽，重则毁墩落梁。桥梁支座是桥墩与梁体联系、传力的关键部位，它的破坏直接影响到梁体与桥墩。以往常采用加强构造设计、增加支座限位的构造措施保证支座的抗震力及其功能。但是近50年来，由于桥梁的跨度不断加大，支座构造设计加强遇到一定困难，从而研究隔震、减震耗能式的抗震支座被结构工程师所重视。[4] 3.2.3落梁震害


桥梁的主要受力为桥墩座给的支持力和挂索施加的拉力，若干力的合力为零，从而保持了桥梁的平衡。落梁震害是一种非常严重的震害，而且顺桥向的震害是比较常见的，如图3所示。从受力学角度分析，落梁的原因主要是桥墩或者挂绳断裂，导致桥梁受力不均，梁落而桥毁，地震史上由落梁而造成的重大事故占比最大。[5]

图3 落梁震害

3.2.4下部结构和基础震害

和楼房的地基类似，桥梁的下部通常是整个桥梁结构的承力部分，如若桥梁下部遭遇震害，会影响整个桥梁结构的力学平衡，进而造成桥梁的严重毁坏。桥梁下部震害的一般原因有以下几种：地基下沉或隆起、砂土流动、坡土滑移，同时这些原因通常很难通过设计或者建筑技术来规避，所以为了避免下部的震害，最重要的是仔细论证、合理选址。 4 结论

通过对地震、地震波成因和桥梁震害的分析，可见其主要破坏原因为：（1）桥梁结构不能承受地震波带来的振动，而振动时巨大的应力则会导致桥梁的地基和下部产生物理性损坏；（2）桥梁自身的抗震性能不足，不能有效抵抗正应力和剪应力；（3）桥梁各部分的连接强度不足，结构设计不当。针对桥梁所受震害的原因，预防震害产生的主要策略主要是合理设计桥梁结构，验证其力学性能，同时考虑地震波的影响，合理选址，科学建造。 参考文献

[1]杜远生，余文超.地震和非地震引发的软沉积物变形[J].古地理学报，2017，19（1）:65-72.

[2]孙路，喻越，林均岐，等.简支斜交桥梁地震旋转效应研究[J].地震工程与工程振动，2017，01（4）:121-128.

[3]占玉林，张磊，张强，等.摩擦摆支座参数对隔震桥梁地震响应的影响[J].桥梁建设，2018（3）:15-18.

[4]彭刚辉，郑史雄，贾宏宇.碰撞参数对隔震桥梁地震响应的影响[J].铁道建筑，2018（5）:36-42.

[5]王建强，朱松岭，赵卓，等.近断层地震动对隔震桥梁地震反应的影响[J].公路，2018（5）:59-64.

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