汶川大地震中的白花大橋

汶川大地震中的白花大橋

1大橋2+22004年，100米長的白玉橋建成，設計荷載為博茨-20和博茨-100，地震烈度按度確定。全橋長496m,橋寬8m,最大墩高30.3m。上部結構分為6聯,跨徑組合為(4×25+5×25+1×50+3×25+5×20+2×20)m,除第3聯采用簡支T梁外(跨徑50m),其余各聯均為連續(xù)梁,第1~2聯、第5~6聯之間(第18、19跨間)采用牛腿構造搭接。下部構造為雙柱式橋墩、輕型橋臺、樁基礎。大橋全貌見圖1。平面上大橋第1、2聯位于左偏曲線內,第5、6聯位于右偏曲線內?？v面上,全橋基本位于1%單坡內。2008年5月12日,該橋在汶川大地震中遭到嚴重損毀。雖然大橋距離發(fā)震斷裂很近,距離震中映秀鎮(zhèn)只有2km,地震作用強烈是造成破壞最直接的原因,但仍然存在一些經驗教訓值得總結和改進,為今后的抗震設計提供參考。2能量輸入的方向百花大橋橋位西北、東南各有一條發(fā)震斷裂通過。橋位距微觀震中10.6km,距地表破裂帶的最近距離僅1.5km。汶川地震開始于微觀震中,然后以平均2.8km/s的速度向東北方向破裂、傳播,能量輻射源的位置也不斷移動,同時有若干處能量輻射源對百花大橋共同產生地震動輸入,相互疊加,情況非常復雜。另一方面,隨著能量輻射源距百花大橋越來越遠,其產生的作用也越來越小。分析以百花大橋為中心,半徑35km內的能量輻射源,根據地震動作用與距離平方成反比的關系,繪制地震動輸入玫瑰圖,見圖2?？梢?能量輸入集中在北偏西、北、北偏東、東偏北等方向?？傮w而言,第1~4聯以橫向輸入為主,兼有縱向分量;第5、6聯以縱向輸入為主,兼有橫向分量。此外,靠近發(fā)震斷裂,豎向地震動輸入也非常大,導致梁體移位。3主要地震資料3.1第5聯的震害現象第5聯5×20m連續(xù)梁完全傾覆倒塌,見圖3。本聯橋跨包括第14~18跨,主梁總長98.6m,主要震害現象包括:①全部橋墩均已倒塌,墩柱普遍存在折斷、壓潰、系梁破壞等狀況,也有斜剪破壞,其中16號墩的剪切破壞現象較為明顯,見圖3~5。②主梁梁體混凝土壓碎,梁肋箍筋失效,主筋拉斷、崩離。倒塌后主梁斷裂或折斷的共有7處,見表1。其中,第2、3、4、7處,在斷裂的梁體下有殘留的墩柱,并可清晰地看到梁體與橋墩有沖撞的痕跡,因此可以判斷這幾處斷裂是由于梁體落在斷裂后的殘留樁墩上,受沖撞向上折斷的;第1、6處,是在沖擊力作用下,向下折斷。值得注意的是第5處斷裂,該斷裂點距本聯起點66m,位于預應力錨頭截面,此處主筋被拉斷,在其下為地基,梁體上未見明顯的沖撞痕跡,且斷裂后的梁體有明顯的搭疊現象,靠近映秀的第1截主梁在上方,靠近都江堰的第2截主梁在下方,見圖3。通過上述的震害現象,結合設計圖,對第5聯的震害做簡要分析。第5、6聯橋墩高度差異較大,其自振頻率不同,導致縱向振動不一致。第6聯縱向位移達60cm,橋墩更高的第5聯,其縱向位移更大。在第5聯各墩中,17號墩最矮,線剛度大使其承受的水平力也大,因此其墩柱底部首先開裂,剛度明顯下降,進一步導致橋墩位移增大。某一時刻,當梁體、17號墩向北偏東方向振動時(牛腿縱向),因位移過大導致第18跨從第19跨牛腿上滑落,瞬間轉移增加的地震響應使17號墩柱在塑性鉸區(qū)域失效、斷裂,17號墩柱向北偏東方向傾倒。失去支承的第17、18跨成為懸臂結構,在16號橋墩附近因負彎矩而折斷,且斷在承載能力減弱的預應力錨頭截面,折斷后的第2截主梁向北偏東方向墜落。受第2截主梁墜落牽引,以及地震動輸入共同作用,第1截主梁及16~14號墩向南偏東方向傾覆、倒塌。上述分析表明,主梁的破壞是由于橋墩的破壞所致,是橋墩破壞的次生震害。3.2墩柱病害情況調查下部構造震害主要表現為墩柱壓潰、環(huán)向開裂,系梁開裂破壞以及擋塊、支座等的破壞。雙柱式橋墩的破壞是崩潰性的,全橋38個墩柱中倒塌、壓潰的共24個,比例高達63%;環(huán)向開裂的6個,占16%;墩柱病害不明顯的8個,占21%。見表2、圖6及圖7。第1~4聯橋梁的下部構造,橫向破壞占主導地位;而第5、第6聯橋梁的下部構造,以縱向破壞為主。除第5聯外,其余墩柱共有19處壓潰,13處環(huán)向開裂,均位于潛在塑性鉸區(qū)域。通過調查墩、梁之間橫向相對滑移及橋墩的破壞情況,發(fā)現設置有固定支座的橋墩破壞均較為嚴重;設置板式橡膠支座的橋墩,如墩、梁之間橫向相對滑移較大,則墩柱受損程度較輕?？傊?設置固定支座的橋墩及較矮的橋墩由于其線剛度較大,而承擔了更多的地震作用,遭受破壞更為嚴重。3.3橫向破壞部位第1~4、6聯橋梁,梁體、橋面基本完好,震害主要表現為整體移位、平面轉動,各聯梁體的位移數據見表3。第1~4聯以橫橋向向右橫移為主,伴隨少量平面轉動,其縱向位移非常小,表現為橫向破壞占主導地位。第6聯縱橋向向北位移很大,并伴隨較大的平面轉動,以及平面轉動造成的橫橋向位移,表現為縱向破壞雖然為主,但橫向破壞也較為嚴重。上述情況表明,對于梁式橋梁,只要下部結構不倒塌,上部結構震害多表現為剛體移動,而主梁開裂、破壞等結構性震害較少,這一現象與日本阪神地震中的情況較為相似。4地震和損傷(1)各聯梁體、橋面均未完全符合全橋約80%的橋墩均有不同程度的病害,主梁除第5聯因落梁而毀壞外,其余各聯的梁體、橋面仍基本完好,震害主要表現為整體移位、平面轉動,這些現象與日本阪神地震、美國北嶺地震的現象是一致的。因此對于連續(xù)梁橋的抗震,首先應防止橋墩在地震中破壞,對于主梁主要應防止其落梁。(2)全聯整體觀照間l第5聯整體倒塌是由于第18跨首先落梁所致,如果第18跨不從牛腿上滑落,全聯整體倒塌的慘劇應該可以避免。在日本規(guī)范中明確以限位支座作為第1道防線,以主梁擱置寬度和主梁限位裝置作為第2道防線,對于簡支梁橋,還采用防落梁裝置作為第3道防線,在美國也有類似的措施。(3)系梁和支護的選擇百花大橋的墩柱,無論直徑大小、是否是潛在塑性鉸區(qū)域,箍筋均按照20cm間距配置直徑8mm鋼筋,體積配箍率0.048%~0.067%,遠不能保證足夠的約束能力,高達80%的橋墩出現嚴重震害與此關系密切?，F場調查還發(fā)現,多根墩柱的實際箍筋間距遠大于設計值,甚至超過60cm,使得配箍率不足的問題更加嚴重,見圖8。(4)系梁的作用應得到足夠的重視。在靜力荷載作用下,系梁的作用主要是提高墩柱的穩(wěn)定性,但在橫向地震作用下,系梁可使左右墩柱協調受力。在百花大橋中大部分雙柱式橋墩墩頂沒有系梁,在地震作用下,左右墩柱無法共同受力,加劇了單柱的破壞,圖6所示的3號橋墩右墩柱十分明顯,即為兩墩柱分別受力的明證。(5)現場調查發(fā)現,墩柱中部的上系梁是在墩柱施工后變更增加的,系梁與墩柱間混凝土的結合面處理非常不到位,兩者之間只靠鋼筋連接,未能形成有效的受力整體,極易破壞。而一旦上系梁破壞,又使得墩柱受力更加不利,加速了墩柱的破壞。(6)支座的選型和適當布置對連續(xù)梁橋的抗震有重要意義。百花大橋支座約束系統(tǒng)基本為:某中墩設置固定支座和縱向滑動支座;交界墩設置雙向滑動支座,依靠擋塊限制橫向位移;其余橋墩設置板式橡膠支座。對于固定墩,一側墩柱設置固定支座,另一側墩柱設置縱向滑動支座(圖9)。對于第6聯橋梁,正是由于支座的這種布置方式,使得19號左墩柱單獨承擔縱向地震作用而破壞。一般橋墩上設置板式橡膠支座,能夠分擔一些地震作用,不至于全部讓固定墩來承擔。但是,豎向地震動輸入減弱了橡膠支座抗滑移能力,又由于缺乏墩、梁之間限制相對位移的裝置,使得一部分墩柱與梁體之間發(fā)生較大的相對滑移,雖釋放了這些墩柱的受力,卻加劇了其他橋墩的受力。5橋墩破壞程度分析百花大橋是遭受直接震害、損毀嚴重的典型橋梁,通過對震害的分析可得出以下結論,在橋梁抗震設計中應充分重視。(1)地震動輸入方向對橋梁的破壞具有明顯的方向性,且造成的破壞程度不同。(2)橋墩的破壞主要表現為墩柱壓潰、環(huán)向開裂,系梁開裂破壞以及擋塊、支座等的破壞。破壞部位集中在橋墩