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浅析桥梁在常见自然灾害下的破坏机理和防治措施浅析桥梁在常见自然灾害下的破坏机理和防治措施摘要：我国道路交通事业的迅猛发展，在道路交通事业的发展过程中，桥梁作为重要的交通设施，其安全的结构设计显得十分重要。在传统的桥梁结构设计时，为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性，并且使桥梁能够更好的应对各种自然灾害，在公路桥梁结构设计中对桥梁结构可靠性研究及可靠性的应用愈为重要。桥梁设计应该重视结构的耐久性问题和疲劳损伤的问题，还要对近年来较为突出的桥梁超载问题进行研究、分析，使得桥梁安全和耐久。目前的桥梁设计中，考虑强度多而考虑耐久性少，重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现，故在自然灾害多发的地区，桥梁结构设计不能单一考虑结构的用途，要进行多方面的综合比选，应该以结构可靠度为控制参数，既要能处理桥梁结构中的随机不确定性，又要能使安全与经济之间、近期投资与长远效益之间的矛盾得到最佳的协调，以使桥梁设计达到最优化，即安全、经济、实用。本文就自然灾害影响较大的地区的桥梁设计进行简单论述，主要介绍关于火灾、台风、泥石流、地震等灾害的地区的桥梁的破坏机理和防治措施，为桥梁的结构安全设计提供参考。关键字：自然灾害 桥梁结构 安全设计 破坏机理 防治措施1. 火灾对桥梁的危害及其加固1-51.1概述公路桥梁发生火灾的概率不大但是每年还是有不少桥梁碰到意外火灾。桥梁在遭受火灾后，建筑材料的物理化学性质在高温下将会发生很大变化，严重影响到结构承载能力，可能带来灾难性的后果。因此，了解火灾对桥梁损伤机理，结合现行检测手段对火灾后桥梁损伤程度进行评估，可为桥梁加固提供技术参考。 1.2结构受火后的损伤特点在钢筋混凝土桥梁中，混凝土受热温度低于300时强度有所增加或变化不大。受热温度高于300，混凝土开始发生龟裂，强度开始下降，随着温度的升高混凝土体积急剧膨胀。混凝土裂缝扩展较快，使强度急剧下降。当温度在600800时，强度损失严重。当混凝土构件遇到800以上高温时，混凝土强度基本丧失。此外高温火焰烧过的混凝上表面会产生爆裂、剥落、裂缝，钢筋裸露等现象。当用水扑灭大火时，热的混凝土表面遇水急速冷却，造成混凝土构件内外应力差，会引起混凝土裂缝，削弱截面刚度。加重混凝上强度损失。火灾时，由于普通钢筋属于低碳钢，其力学性能在 200以上温度时开始受影响。钢筋极限强度、屈服强度和弹性模量等会随着受火温度的升高而降低，而钢筋膨胀系数会增大温度600时强度下降明显，1400时，钢筋进入液态，失去了抵抗荷载的能力受火后的钢筋在做拉伸试验时往往呈脆性破坏。混凝土温度超过300 时钢筋与混凝土间的粘结强度随温度升高呈下降趋势，影响构件承载能力，预应力钢绞线含碳量较高受火影响比普通钢筋大，温度400时强度下降就较明显，其粘结力比普通钢筋降低更多此外，高温松弛会引起很大的预应力损失。表1 凝土表面颜色、囊损剥落、锤击反应与温度关系1受火温度（）1000表面颜色灰青色微显粉红色呈铁锈红或土黄色，初现浅灰白色灰白色，略显浅黄色浅黄色浅黄，显白色外观变化出现裂缝和剥落较多裂缝和严重剥落表面疏松，成片剥落锤击反应声音响亮，表面不留下痕迹较响亮，表面留下明显痕迹声音沉闷，混凝土粉碎和塌落，留下痕迹声音沉闷，混凝土粉碎和塌落声音沙哑，混凝土严重剥落声音沙哑，混凝土成片剥落1.3损伤评估和后期处理5对受火灾的桥梁结构，一般要进行表观损伤检查、混凝土强度检测、支座烧损状况检查、主要结构构件预应力损失检查等，尤其是对于悬索桥、斜拉桥进行必要地拉索预应力损失检查。火灾后结构构件的初步评估评级，应根据构件烧灼损伤、变形、开裂(或断裂)程度按火灾后建筑结构评估标准(报批稿)标准评定等级进行评估（见表2），根据公路旧桥承载能力评估办法(试行)规定还需通过静载实验测试孔选择存在严重烧伤且结构受力不利的孔，动载实验测试跑车荷载作用下结构的自振频率测试、阻尼比和冲击系数。表2 火灾后结构构件的初步评级标准火灾后结构构件受损状态评估标准状态轻微或未直接遭受烧灼作用，结构材料及结构性能未受影响，不必采取措施状态轻度烧灼，但未对结构材料及结构性能产生明显影响，尚不影响结构安全和正常使用，应采取耐久性或外观修复措施。一般可不采取加固措施，必要时进行详细检测状态中度烧灼尚未破坏，显著影响结构材料或结构性能，明显变形或开裂，对结构安全性或正常使用性产生不利影响，应采取加固或局部更换措施状态破坏 火灾中或火灾后结构倒塌或构件塌落；结构严重烧灼损坏、变形损坏或开裂损坏，结构承载能力丧失或大部丧失，危及结构安全，必须或必须立即采取安全支护、彻底加固或拆除更换措施。火灾后钢筋混凝土构件力学性能的降低包括强度降低和刚度减小两个方面。强度降低将降低构件的承载能力，而刚度变化则会引起结构各部分的内力重分布，并可能导致较大的构件变形。在工程应用上，一般采用修正传统法进行建立力学模型进行结构分析，利用所测定的混凝土与钢筋的实际物理力学性能指标进行结构极限承载能力验算和正常使用状态验算，并据此提出加固处理方案。常见的加固方法有增大截面法、锚喷混凝土加固法、粘贴钢板(筋)法、改变结构受力体系法以及粘贴碳纤维布等，火灾后桥梁结构有其特殊性，在进行维修加固时要求满足一些基本原则：(1)加固以不增加结构自重为前提；(2)要彻底凿除烧疏的混凝土，烧损的混凝土疏松，凿除不干净会影响修补物与旧混凝土的黏结，影响加固效果；(3)考虑结构的耐久性。桥梁结构长期暴露在外界环境中，火灾后混凝土碳化速度将大大加快，有些地方混凝土保护层损伤严重特别是有些部位虽无混凝土脱落，露筋现象，但是过火已经导致混凝土内部微裂缝发展，致使混凝土空隙率加大。这些原因都有可能加快有害物质侵入结构内部，腐蚀钢筋等。因此，在火温影响范围内结构表面都要涂刷阻锈剂等以恢复结构的耐久性。2. 泥石流对桥梁的危害及其防治7-102.1 概述一般来讲，泥石流的形成主要是与地形、水文、地质和人类活动有很大的关系，主要可以概括为三个方面，第一是流域内岩石破碎，山体稳定性较差；第二是地形较为陡峭并且坡度较大；第三是流域中上游大量的降雨和水库的溃决等不确定因素致灾。2.2 泥石流对于桥梁工程的危害方式和防治措施灾害性泥石流具有暴发突然、来势凶猛、冲击强烈、冲淤变幅大、沟道摆动速度快幅度大的特点。泥石流对桥梁工程的主要作用有：一是冲刷作用，在沟道的上游段以下切侵蚀作用为主，在中游段以冲刷旁蚀为主，下游段堆积过程中，时有局部冲刷造成危害：二是冲击作用，包括它的动压力、大石块的撞击力以及泥石流冲击所引起的冲起高、爬高和弯道超高等能力;三是堆积作用,主要出现于下游沟道，尤其在堆积扇沟段。但在某些条件下，中、上游沟道亦可发生局部(或临时性)堆积作用。若泥石流堆积扇的强烈堆积和堆积区的迅速扩大，还可堵塞它所汇入的主河，在主河段上游堵塞，造成次生灾害；四是其他次生作用，如气振、埋淤等。在泥石流防治工程设计中，泥石流的冲击力是一个非常重要的参数，是桥墩、桥面为抵抗冲击而进行的结构设计的重要依据。泥石流冲击力分为流体整体冲压力和个别石块的冲击力两种。在泥石流灾害频发地区进行桥梁设计而考虑桥下净空时，还必须要考虑发生最大泥石流灾害时其冲起爬高的高度值，如若此高度值估计不足，则会出现携带大量石块和泥沙的泥石流冲上桥面，破坏桥面。另外，如若桥梁选址在没有任何可选择的条件下而其位置又恰好在泥石流沟的拐弯处，则必须考虑泥石流的弯道超高。由于泥石流流速快，惯性大，故在弯道凹岸处有比水流更加显著的弯道超高现象。此值未考虑或估算不足时，则会出现泥石流排泄不及时而迅速冲向桥面或路面，进而破坏桥梁或路面。针对上述泥石流对桥梁工程的作用机理，对泥石流可采用以下防治措施：1) 生物防治即是恢复植被和合理耕牧，但持续时间长，一般需要35 年或者更长的时间才可以发挥明显的作用；2) 工程防治 泥石流的排导沟设计，即压缩排导沟的宽度，加大其深度，提高其单宽流量的输沙能力，由于泥石流的直进性，使它在弯道处产生很强的破坏力及其较大的爬高，所以排导沟主要是以顺直较好，且排导沟的出口应该选择在较大堆积场所的地方； 桥梁孔垮的设计，即是在泥石流流通区，孔垮的设计不宜压缩沟床，严禁在沟中设墩，最好用单孔，大跨跨过主沟，以不改变泥石流的运动规律为原则，避免泥石流中的强大冲击危害，而在泥石流堆积扇区，孔垮的设计要分清流量、流势、流向与桥孔的主次，按泥石流的常年洪水宽度确定桥长； 桥下净空的设计,即是泥石流地区桥梁设计的主要控制条件，应根据泥石流实地调查资料与计算及有关设计规范用式计算确定，以宁高勿低为原则； 桥梁墩台的防护设计，即有直接防护和间接防护两种，直接防护多种多样，因地制宜，形式很多，常见的有片石块石防护、桥墩抛石防护、板桩墩头防、护冻拔防护、三级消力坎防护等，间接防护则是通过在桥梁上游设置调治或防护构造物，如丁坝、导流堤、桩排或在桥孔下游设置急流槽和消力池等，固定桥孔下游冲刷基准面(也称海漫式防护)，来调整桥下水流或泥石流的流速、流向及泥沙的运动状态，引导洪水或泥石流平顺通过桥孔，避免墩台过度冲刷。3. 风荷对大跨径桥梁的危害及研究11-143.1 概述1940年的美国华盛顿州新建成的Tacoma Narrows悬索桥,在不到20 m/s的风速作用下发生了强烈的振动并导致破坏，震惊了桥梁工程界，成为现代桥梁抗风研究的起点。随着桥梁跨度的增加，其对风荷载的敏感程度也越来越明显，在对桥梁结构设计时，保证桥梁结构在风荷载下安全运营是桥梁抗风设计的重要内容。3.2风荷载下大跨径桥梁的破坏机理与抗风模拟11风对大跨径桥梁的作用跟风速周期有关，一般由两部分组成，一部分的长周期远离一般结构物的自振周期,其作用属于静力性质，另一部分则与结构物的自振周期比较接近，对其作用属于动力性质。当气流绕过非流线型截面的桥梁结构时,会产生流动和涡旋的分离,形成复杂的空气作用力。当桥梁结构的刚度较大时,结构会保持静止不动,这种空气力作用只相当于静力作用,而当桥梁结构的刚度较小时,结构的振动会得到激发,这时的空气作用力不仅具有静力作用,而且具有动力作用。在工程实际应用中,通常将风荷载分为静力风与脉动风两部分的叠加,分别考虑它们对桥梁结构的作用,而忽略平均风和脉动风所引起的风致振动之间的相互作用。桥梁的竖向位移主要由施加的竖向车辆荷载引起,风荷载对其影响很小，桥梁受到静风荷载作用后横向位移急剧增加,而且偏向风荷载的方向，再施加脉动风荷载后,横向位移再次加剧,且呈现波动趋势,相对于竖向位移,桥梁的横向位移更容易受到风荷载的影响。目前,国内外普遍采用的模拟风速时程的方法主要有线性滤波器法和谐波叠加法两大类。这些主要是针对脉动风的。其中，线性滤波器法中的自回归滑动平均模型（ARMA模型）和自回归模型（AR模型）被广泛用于描述平稳随机过程,取得了较好的效果。对风荷载比较敏感的桥梁结构，一般跨度为几百米甚至上千米,对桥梁结构上的风荷载进行模拟是个巨大的工程,如果是斜拉桥或者悬索桥,则除模拟结构主粱上的风荷载外,还需对缆索结构上的风荷载进行计算,因此,需要统筹规划,尽量选取间距相等的桥梁节点进行模拟。研究方向也分为“桥梁抗风”和“车桥耦合振动”两个相对独立的研究领域。前者以桥梁为主体,不考虑汽车作用或将汽车仅作为移动常活载研究桥梁的风致振动，后者则不考虑风荷载的影响,仅研究汽车和桥梁之间的动力相互作用。现在也有建立脉动风作用下列车与大跨度悬索桥系统的动力相互作用分析模型,将上述两个领域的研究结合起来动力响应及行车安全性分析，即是风-汽车-桥梁系统空间耦合振动。4. 地震对桥梁的危害及其加固14-194.1 概述由于地震发生的时间、空间和强度特征不仅随时间变化，而且具有明显的随机性，合理的确定地震动输入方式是对结构进行地震反应分析的基本问题。目前人们对地震现象的认识水平和强震观测的技术条件，仍不能对未来地震的发生和地震波的传播做出准确的判断。因此，在对桥梁进行地震反应分析时，对于地震动输入方式存在着较大的误差和不确定性，到目前为止，这个基本问题还未能得到很好解决。规范常用的地震动输入的方式有地震加速度反应谱、地震动加速度时程，也就是说加速度是输入的主要方式，这种加速度反应谱在描述地面运动长周期特征方面存在不足。随着大跨度桥梁的迅速发展，更是增加了地震动输入的复杂性，行波效应、部分相干效应、局部场地效应成为研究的焦点问题。目前，桥梁的抗震设计方法主要有基于强度设计、基于位移设计、基于性能的抗震设计、基于能量设计以及能力抗震设计方法。4.2 地震反应的分析方法和地基与结构的相互作用15地震作用理论研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应，结构的地震反应取决于地震动和结构动力特性两个方面，因此，地震反应分析方法的发展是随着人们对这两方面的认识逐渐深入而提高的。桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法(包括反应谱方法和时程分析方法)的演变过程。目前世界各国的桥梁抗震设计规范中采用确定性分析方法，主要有静力法、反应谱法、时程分析法和非线性静力分析法，其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估。此外，概率性分析方法的理论研究较多，但不能得到数值结果，这种方法目前无法在工程中应用，近年来，虚拟激励法发展起来，并已经构成了一个比较完善的系统。虚拟激励法将平稳随机响应分析转化成为简谐响应分析，将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析，从而采用确定性分析方法实现随机振动的求解。土体的复杂性、离散性给该领域的研究带来很大的困难，制约了研究成果在工程中的应用。土与结构的相互作用可能放大结构响应，产生不利影响，也可能降低结构响应，这就使该问题的研究具有双重意义：一是，结构在遭遇地震时的安全性；二是，结构设计的经济性。目前土与结构相互作用的分析方法主要有直接法、子结构法和集中参数法。研究内容归纳为：自由场地的地震反应、基础地震响应、土与结构相互作用的计算模型及分析方法的研究。对于桥梁结构，桩基础是广泛采用的基础形式，因此桩-土-结构的相互作用成为土与结构相互作用研究的复杂问题之一。桩-土-结构相互作用可以理解为：自由场地的地震反应加上考虑土体对桩基约束作用的多点激励的桥梁结构地震反应。基于这一理解，可采用集中质量法进行研究。另外，土与结构的相互作用改变了结构的动力特性和地震响应，但是由于土-结构动力相互作用问题的复杂性，各种假设、简化造成由不同方法得到的结构和地基反应有较大的差别。在桥梁抗震分析中涉及到的非线性主要有：几何非线性(梁一柱效应、大变形效应和缆索垂度)；支座、伸缩缝、挡块、减隔震装置等边界及连接单元的非线性；地基土体的非线性；强震作用下，结构表现出的非线性行为，如碰撞、损伤等。现在对桥梁结构的几何非线性的研究已经比较成熟。4.3 桥梁结构震害表现与加固各类桥型在地震的震害主要表现为：（1） 梁桥主梁移位、落梁：表现为纵桥向移位、横桥向移位和平面旋转的现象。由于梁体直接支撑在桥墩之上，相互之间仅靠支座相联系，基本没有水平约束，当地震力超过摩擦力或支座抗剪能力时，梁体与桥墩发生相对位移。当主梁位移达到极限时，就会出现落梁，落梁是桥梁最严重的震害之一；桥墩震害：桥墩震害主要包括墩身的剪压、压溃、和开裂，横系梁的开裂、横向位移及倾斜；支座破坏：主要表现为支座撕裂、脱落，梁的纵横向位移大多数都是以支座破坏为前导，在地震时支座承受很大的剪力和变形，当剪力超过支座容许剪力时支座被撕裂，当变形超过支座容许剪切变形时，梁与支座产生相对位移，直至产生落梁；桥台破坏：作为梁两端的支撑部分，当桥台的填料三面临空实，由于桥台和其下的土的刚度不同，地震大时易造成破坏，如重力式桥台墙体开裂、背墙耳墙墙体开裂、桥台填料垮塌等；地基破坏：地基破坏分为：由于砂土液化、地基失效, 基础大量沉降和不均匀沉降破坏；由于土承载力和稳定性不够,地面产生大变形, 地层发生水平滑移、下沉、断裂；液化与地基大变形同时存在；（2） 拱桥主拱圈的破坏：主要表现为主拱圈的断裂和开裂；拱上结构的破坏：震害主要包括腹拱圈开裂和拱上横墙（或立柱）的开裂；（3） 其他桥型：对于悬索桥，在纵桥向地震作用下,主塔和加劲梁均有较大的纵向位移,主塔底承受着巨大的纵向弯矩而致破坏；斜拉桥在非同步激振作用下的塔根折断；对于位于地震多发区的深水连续刚构桥的动力特性还会受到动水压力影响而致害等等。通过对桥梁震害的研究可以发现，遭受严重破坏的桥梁结构主要原因有二：一是上部结构的落梁破坏；二是桥墩抗弯延性不足。为降低桥梁结构的易损性，目前桥梁结构抗震加固的部位有：上部结构、桥墩加固、盖梁加固、基础加固和桥台加固。即加强上部结构和下部结构的联系，提高墩柱的抗弯强度、抗剪度及延性、提高盖梁、上部结构、基础与桥台的承载能力，提高节点的抗剪强度。上部结构的加固包括支座、伸缩缝处的防落梁措施，采用的方法是增设限位器、增设挡块、增加支承面宽度、设置锁定装置。桥墩的加固主要方式有钢套管、预应力钢绞线、增加截面和纤维增强复合材料，其中钢套管和纤维增强复合材料的加固方式应用较多，纤维增强复合材料有碳纤维、玻璃纤维等，用纤维增强复合材料约束混凝土时可采用单一纤维，也可以采用碳纤维与玻璃纤维混杂的方式；盖梁的加固可以采用增设预应力钢筋混凝土加强块的方式实现；基础的加固可以通过增设斜撑杆和增加基础高度的方式；增加沉降板和锚杆可以减少桥台的沉降和水平移动。5. 结语桥梁结构设计是一项复杂的工程，通过对火灾、台风、泥石流、地震等自然灾害对桥梁工程影响的分析并应用于实践，可为桥梁的结构安全设计、后期的加固和意外事故的处理提供指导。参考文献1谢勇,雷振明.关于火灾对桥梁的损害J.黑龙江科技信息,2009,42乔仲发,宋利辉.钢筋混凝土桥梁火灾后的检测与评定J.中国水运（下半月）, 2012,12(4)3刘其伟,王峰,徐开顺,陈晓强.火灾受损桥梁检测评估与加固处理J.公路交通科技.2009.22(2)4曹蓓蓓,梁志刚高.温条件下混凝土结构与性能的变化J.国内建材科技,2004,25(6)5张宏,邵永军.火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用J. 四川建筑科学研究, 2011,37(3