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[1-5]1.1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600—800℃时，强度损失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]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[7-10]2.1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3—5 年或者更长的时间才可以发挥明显的作用；2)工程防治①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；②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；③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；④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[11-14]3.1 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[14-19]4.1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。