淺談震后對橋梁工程的緊急救援

淺談震后對橋梁工程的緊急救援

2008年5月12日14:28（北京時間），四川省彭川縣英秀市發(fā)生8.0級大地震，焦距11度。震后,災區(qū)大量道路橋梁遭到不同程度的破壞,對抗震救災及災后重建工作帶來極大困難和重大安全隱患,因此,有必要對震后道路橋梁工作性能進行快速評估,以確保抗震救災和災后重建工作的交通運輸安全,同時也為受損道路橋梁震后重建或加固提供依據(jù)。1川龍門山斷裂帶綿廣高速公路是交通部規(guī)劃的國道主干線內蒙二連浩特至云南河口公路(G040)四川境內一段,路線起于綿陽磨家,經(jīng)金家林、龍門、小溪壩、厚壩、廣元金子山、沙溪壩、昭化、陵江、瓷窯鋪、樓房溝、明月峽、中子,止于棋盤關,全長228km,四車道高速公路。汶川大地震地處四川龍門山地區(qū),龍門山斷裂帶內主要有三條斷裂帶,從西北向東南分別為:沿汶川—茂汶的龍門山后山斷裂帶;沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶;沿都江堰—安縣的龍門山山前主邊界斷裂帶。棉廣高速距離都江堰—安縣斷裂較近,路線基本與之平行,走向均為NNE向,整個路線均處于龍門山斷裂帶影響范圍之內。綿廣高速全線177座橋梁受損,本次調查發(fā)現(xiàn)大部分橋梁梁體整體狀況較好,地震并未對其造成嚴重的結構性損壞,但地震造成的橋梁局部損傷較多,對抗震救災中車輛的運行帶來巨大的安全隱患。1.1結構體系及位移震害分析橋梁上部結構震害按照產(chǎn)生原因的不同,可以分為結構震害、碰撞震害和位移震害(包括落梁震害)。橋梁結構震害在歷次嚴重的地震中都比較少見,綿廣高速公路上只發(fā)現(xiàn)友于大橋第九孔4、5號T梁馬蹄部混凝土脫落。橋梁碰撞震害包括:橋面伸縮縫位置混凝土裂縫及壓碎變形,混凝土伸縮縫位置護欄混凝土撞損(磨家互通式跨線橋等),T梁橫隔板開裂(友于大橋、觀音巖大橋),鉸縫及濕接縫開裂、混凝土脫落,及少數(shù)梁端及部分橋臺(約80余處)的損傷等震害。另外由于震后綿廣高速公路交通量增加、車輛荷載增大,造成橋梁碰撞震害加劇,如嘉陵江大橋、雷家壩中橋、K239+600渡槽、小塘子中橋、棋盤關中橋等。橋梁位移震害主要表現(xiàn)為上部結構的縱向位移、橫向位移以及扭轉。一般來說,設置伸縮縫的地方比較容易發(fā)生位移震害。如果上部結構的位移超過了墩、臺等的支撐面,則會發(fā)生更為嚴重的落梁震害。本次調查中橋梁的位移震害較為普遍,橫向位移主要出現(xiàn)在斜交橋上,其相對位移最大達21cm(圖1),而在正交橋梁中,橋梁的橫向相對位移較小。1.2構造上的破壞支座的破壞形式主要表現(xiàn)為支座的位移、錨固螺栓拔出、剪斷,活動支座脫落,以及支座本身構造上的破壞等。本次調查中發(fā)現(xiàn),橋梁支座損壞較多,支座存在位移、剪切變形、鼓包等震害,其中龍門E2匝道橋損壞尤為嚴重,主要表現(xiàn)為:支座移位嚴重,部分支座位于兩片梁體之間,造成一片梁只有一個半支座支撐;支座的剪切破壞嚴重,部分已經(jīng)卷起(圖2)。1.3部分擋塊受損汶川地震對橋梁抗震擋塊及蓋梁端部造成的損壞是非常嚴重的,支座墊石受損較小,橋梁抗震擋塊損壞及蓋梁端部損壞較為普遍,其中部分擋塊損壞程度較為嚴重,震后主要靠擋塊內部鋼筋支撐。橋梁墩、臺及系梁受到的損壞相對較小,但是依然有部分橋梁的墩(跨寶成鐵路1號橋和劍門河大橋)、臺、系梁(劍門河大橋等)受到損傷,主要表現(xiàn)為:在系梁根部出現(xiàn)環(huán)形或半環(huán)形裂縫。橋梁防護工程的損壞主要表現(xiàn)為錐坡、護坡的下沉、開裂、抹面砂漿的開裂、下滑(如黃家河大橋等)。1.4爆炸的調解和結構的破壞調治構造物在本次地震中受到的損壞較小,并且不影響構造物的使用,也不影響橋梁及其他結構的安全。2地震破壞分析本次調查涉及的橋梁數(shù)量大,型式多,下面按橋梁結構型式,橋梁跨徑、橋墩形式及高度,橋梁平面線型共三個方面對震害進行簡要的分析。2.1橋橋整體損壞嚴重就橋梁結構形式而言,棉廣高速公路上嚴重的震害主要發(fā)生在梁橋上,震害的產(chǎn)生均基于梁體的橫向、縱向位移,而位移的產(chǎn)生是由于作用于主梁的地震力超過支座的摩阻力或支座本身強度。在所有震害中,梁橋抗震擋塊的損壞最為嚴重(圖3)。曲線橋較直線橋損壞嚴重,斜交橋較正交橋損壞嚴重,伸縮縫位置抗震擋塊較非伸縮縫位置抗震擋塊損壞嚴重。橋梁位移的現(xiàn)象很多,因位移造成的橋梁支座損壞也較為普遍,在同一座橋中,設置伸縮縫的地方位移較其它地方大。其它震害主要是由于梁體位移造成的,其中友于大橋、觀音巖大橋T梁橫隔板出現(xiàn)開裂震害,友于大橋濕接縫出現(xiàn)混凝土掉落震害。本次地震使橋梁產(chǎn)生順橋向位移較小,對梁端、橋臺等部位基本沒有造成嚴重損壞。橫系梁環(huán)向裂縫主要出現(xiàn)在高墩距地面3m以上系梁與墩柱聯(lián)結部位,個別橋梁(跨寶成鐵路1號橋8、9、10號墩左幅內側墩柱,劍門河大橋25號墩1、3號墩柱,中子大橋)出現(xiàn)墩柱環(huán)向或半環(huán)形裂縫震害,應為墩柱薄弱部位在地震力的作用下造成。2.2t梁橋在不同跨徑的部位存在嚴重構造破壞的規(guī)律綿廣高速公路空心板橋梁橋跨徑包括6m、8m、10m、13m、16m、18m、20m、22m、25m、28m、30m、40m、55m幾種,地震對橋梁造成的損壞主要表現(xiàn)為橋梁防震擋塊的開裂,通過分析可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律:(1)跨徑≤16m的單孔橋及雙孔橋,16m<跨徑≤20m的單孔橋梁,抗震擋塊損壞很少;(2)上部結構相同、墩柱形式相同、墩柱高度相近的橋梁,隨著跨徑的增大、孔數(shù)的增加,地震造成的震害呈增加趨勢。綿廣高速T梁橋跨徑主要包括30m、35m、40m三種,地震對T梁橋造成的損壞主要是T梁間橫向聯(lián)系的破壞,包括橫隔板裂縫、濕接縫混凝土脫落等情況。對于只設置端橫隔板的T梁橋,端橫隔板存在開裂的情況,局部位置濕接縫混凝土脫落,主要表現(xiàn)在友于大橋。對于設置端橫隔梁和中橫隔梁的40m的T梁橋,存在中橫隔板裂縫的現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在觀音巖大橋。本次調查中,未發(fā)現(xiàn)明顯的墩柱破壞,說明橋梁墩柱的剛度和強度設計較合理,震害相對嚴重的出現(xiàn)在10~30m之間墩柱高度的橋梁。2.3彎橋的震害情況彎橋由于曲線半徑、超高等因素,致使地震反應復雜化,分析起來相對直線橋復雜的多。本次調查中發(fā)現(xiàn),彎橋的震害基本都是一側較另一側嚴重,大多數(shù)彎橋在曲線內側震害較外側嚴重。直線拱橋整體相對較好,曲線拱橋也只有極個別橋梁存在輕微震害,其中青云II號橋,外側側墻部分出現(xiàn)表面脫落震害。3地震區(qū)域橋梁的抗衰減對策3.1近拱圈位置的破壞根據(jù)綿廣高速的調查資料顯示,綿廣高速公路斜拉橋(涪江四橋主橋)和大部分拱橋未發(fā)現(xiàn)明顯嚴重震害(除肖家壩大橋、龍洞背大橋拱上立柱下部靠近拱圈位置出現(xiàn)環(huán)向或半環(huán)向裂縫)。在不同結構形式的橋梁中,梁橋的破壞比拱橋和斜拉橋的破壞嚴重,整體性較差的裝配式梁(或板)較整體性較好的現(xiàn)澆箱梁破壞嚴重。這是因為大部分震害的產(chǎn)生均基于梁體的橫向、縱向位移,而位移的產(chǎn)生是由于作用于主梁的地震力超過支座的摩阻力或支座本身強度。所以,在不同的地方,尤其是大的斷裂帶附近或地震分布帶上,盡量采用抗震作用比較強的橋梁結構形式:如斜拉橋、拱橋、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁等。3.2防止梁體橫向位移在橋梁抗震設計時,既要允許結構各構件之間發(fā)生對抗震性能有利的相對運動,以減小構件內部的地震力,但也要對相對運動的位移量采取限制措施,以防止主要構件之間的連接失效(如落梁等)。從汶川地震對綿廣高速橋梁的破壞情況看,抗震擋塊雖然大部分遭到破壞,但對于限制梁體橫向位移,防止落梁和梁底支座脫空起到了至關重要的作用。因此,橋梁抗震設計時,對于不同的橋梁形式應采用行之有效的抗震措施,如可以適當增強擋塊作用,或采用隔震(如隔震支座)、耗能(如阻尼)裝置等措施。3.3抗震早期施工與抗震防止烈度的關系橋梁設計抗震規(guī)范規(guī)定:在最高等級的橋梁設計中,要求做到“小震不壞,中震能修,大震不倒”。這次汶川地震震中烈度達到11度,而當?shù)氐目拐鹪O防烈度才7度,抗震設防烈度偏低。抗震設防標準與橋梁投資規(guī)模及災后重建難易程度之間有一定關系,如何選擇一個合理的抗震設防標準,使橋梁投資規(guī)模與結構抗震安全以及震后恢復重建難易程度之間取得一個平衡點,是工程界值得研究的一個問題。因此應加大對地震地質災害普查力度,合理地制訂各地區(qū)的抗震設防烈度。尤其是在我國幾個大地震帶發(fā)育的區(qū)域,針對橋梁工程,特別是一些大型橋梁工程,應確定一個相對合理的抗震設防標準。3.4斷裂構造帶的破壞根據(jù)中科院青藏高原研究所對汶川地震的分析可知:汶川地震地處四川龍門山地區(qū)。在龍門山斷裂帶內主要有三條斷層帶,從北西向南東它們分別為:沿汶川—茂汶的龍門山后山斷裂帶;沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶;沿都江堰—安縣的龍門山山前主邊界斷裂帶。地質調查表明,龍門山構造帶的幾條主斷裂帶自晚第四紀以來均顯示由北西向南東的逆沖運動,并伴有顯著的右旋走滑分量。單條斷層平均水平位錯量與垂直位錯量大致相當,約為1mm/a左右。在長期的北西—南東方向區(qū)域構造應力場的作用下,積累的應變能最終以大地震的方式釋放,造成極大破壞。汶川地震中,建設在斷裂帶上的橋梁損毀嚴重,大型橋梁工程一旦毀壞將造成難以估計的損失,修復起來也非常困難,所以,大型橋梁工程應盡量繞避大的斷裂構造帶。斷裂帶上不宜建大的橋梁工程,這個原則應該堅持。3.5橋梁工程是重要的線索工程重大的基礎設施在重大災害發(fā)生時,如何避免其系統(tǒng)不遭受重大破壞,以及如何以最快的速度修復受損設施,從而把各方面損失減少到最少,成為此次汶川地震災后各級政府部門最關心的問題。地面交通對于搶救人民群眾的生命財產(chǎn)安全起著至關重要作用,而橋梁工程若破壞嚴重,恢復交通較路基困難得多,從這點來講,橋梁工程是重要的生命線工程。如何快速的評估橋梁性能,為緊急救援和災后重建提供必要的信息,如何快速加固受損嚴重橋梁,確?？拐鹁葹牡慕煌ò踩?如何永久加固震后受損橋梁等問題,值得我們系統(tǒng)的去研究。4橋梁結構形式的特性通過對汶川大地震災后橋梁的的震害調查、檢測及分析得出如下結論與建議:(1)這次大地震中大部分橋梁梁體整體狀況較好,地震并未對其造成嚴重的結構性損壞,但由地震造成的橋梁局部損傷較多,對抗震救災中車輛的運行帶來巨大的安全隱患。(2)就橋梁結構形式而言,嚴重的震害主要發(fā)生在梁橋上;跨徑≤16m的單孔橋及雙孔橋,16m<跨徑≤20m的單孔橋梁,抗震擋塊損壞很少;上部結構相同、墩柱形式相同、墩柱高度相近的橋梁,隨著跨徑的增大、孔數(shù)的增加,地震造成