汶川地震中公路橋梁破壞形式的對比研究

汶川地震中公路橋梁破壞形式的對比研究

公路橋梁破壞在我國大陸發(fā)生的地震2008年5月12日下午00點左右，四川省東龍門山構造帶四川省四川附近發(fā)生了8.0級強震。此次地震不僅在震中區(qū)附近造成災難性的破壞,而且在四川省和鄰近的甘肅和陜西省大范圍內(nèi)也造成了破壞,其影響更是波及到全國絕大部分地區(qū)乃至境外,是新中國成立以來我國大陸發(fā)生的破壞性最為嚴重的地震。在汶川地震中公路橋梁破壞嚴重,且破壞形式在破裂面南、北兩端出現(xiàn)了顯著的差異。本文從震源機制、斷層運動方式和橋梁本身特點等角度,分析了產(chǎn)生這一差異的原因,并在此基礎上對強震區(qū)的橋梁抗震設計提出了相應的改進措施。1斷裂積分法汶川地震發(fā)生在四川龍門山逆沖推覆構造帶上。該構造帶是青藏高原內(nèi)部巴顏喀喇地塊和中國東部華南地塊的邊界構造帶,經(jīng)歷了長期的地質演化歷史,具有十分復雜的結構和構造。晚新生代的構造變形主要集中在灌縣-江油斷裂(前山斷裂)、映秀-北川斷裂(中央斷裂)和汶川-茂縣斷裂(后山斷裂)及其相關褶皺之上(圖1),這次強震發(fā)生在映秀-北川斷裂之上,宏觀震中位于映秀鎮(zhèn)西南的牛圈溝蔡家杠村附近(高孟潭等,2008)。根據(jù)陳運泰等2的研究,此次地震破裂大致由3個主要的子事件組成:第一個子事件位于0—15s,在這個時間內(nèi)釋放了16%的地震矩;第二個子事件位于17—46s,為本次地震過程中最大也是最主要的一次事件,釋放了63%的地震矩;最后一次事件位于48—60s,同樣釋放了16%的地震矩。地震破裂面南段以逆沖為主、兼具右旋走滑分量;北段以右旋走滑為主、兼具逆沖分量。但這次地震的震源機制比較復雜,在震源過程中震源機制隨著時間和空間在發(fā)生變化。如果將整個地震過程分成7個階段,則在地震的開始階段表現(xiàn)為逆沖為主,但后來逐漸轉變?yōu)橐宰呋瑸橹鳌?個階段對應的地震震級分別為:MW7.1、MW7.1、MW7.6、MW7.4、MW7.4、MW7.4和MW7.2(圖2)(吳健等,2008)。2橋梁地震典型分析2.1方面存在的問題破裂面南端從映秀至漢旺,主要以逆沖為主、兼具右旋走滑分量,其控制子事件主要為第1、第2子事件,時間從0—46s,釋放的地震矩約占總地震矩的80%。破裂面南端控制區(qū)域內(nèi)的橋梁破壞相當嚴重,此次地震中發(fā)生垮塌的橋梁絕大多數(shù)都集中在這一區(qū)域及其周邊。其中幾座典型的橋梁均處在斷層的上盤,結構同時受到巨大的豎向和水平向地震力作用,出現(xiàn)了以構件強度失效破壞引起的結構垮塌。(1)結構延性在結構中的應用百花大橋位于岷江右岸,橋長495.55m,最大墩高30.87m?？鐝浇M合為4×25m+5×25m+50m+3×25m+5×20m+2×20m,平面位于R=150m的左偏圓曲線、192.601m直線以及R=66m的右偏圓曲線上。大橋距離本次地震宏觀震中僅1.5km,橋位地處斷層上盤,強大的逆沖作用使結構承受巨大的超重作用,導致橋墩軸壓比成倍擴大,其內(nèi)的縱向鋼筋和混凝土的壓應力陡增,極大地限制了結構延性性能的發(fā)揮,基本以脆性的彎剪破壞為主,甚至出現(xiàn)了壓潰型破壞,見照片1—4。此外,在結構設計方面也存在著許多不利于結構延性等抗震性能發(fā)揮的因素。(1)強梁弱柱效應:橋墩之間的中橫梁過于強大,導致強梁弱柱效應的出現(xiàn),使結構的第一塑性鉸出現(xiàn)在橋墩上,致使結構失效。(2)橋墩配箍率:筆者在現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn),橋墩所配螺旋箍筋為HRB235級φ8鋼筋,間距為20cm,配箍率為0.06%,遠低于《公路工程抗震設計規(guī)范(JTG004-89)》(交通部公路規(guī)劃設計院,1990)和新頒布的《公路橋梁抗震設計細則(JTG/TB02-01-2008)》(重慶交通科研設計院,2008)中對箍筋配置的相關規(guī)定,導致核心混凝土幾乎沒有約束,其極限應力和應變大大降低,橋墩幾乎沒有延性性能。(3)河卵石骨料:筆者在四川災區(qū)考察發(fā)現(xiàn),所見混凝土結構的骨料均采用光圓的河卵石,此類骨料與水泥的膠結面過于整齊而降低了膠結強度,在往復荷載作用下,混凝土極易出現(xiàn)粉碎性崩潰。(4)支承方式:該橋曲線段上第5聯(lián)(5×20m)采用一個固定支座搭配多個活動支座的組合方式,導致全聯(lián)上部結構的水平地震力幾乎完全由固定支座下的橋墩承擔,該橋墩在強大的地震作用下迅速破壞,進而在全聯(lián)出現(xiàn)“多米諾”效應式坍塌。(2)面夾角試驗該橋位于映秀鎮(zhèn)以北約500m處,橋軸線與破裂面夾角小于30°。由于橋墩與樁基礎的施工接縫過于整齊,在強大的豎向和水平向地震力作用下橋墩底面產(chǎn)生剪切破壞而倒塌,見照片5和照片6。(3)斜下方向的剪切小魚洞大橋位于彭州市龍門山鎮(zhèn)與小魚洞鎮(zhèn)交界處。全橋總長187m,其中主橋為4×40m剛架拱,橋寬12m,橫橋向由5片拱肋組成。橋軸線近東西方向,斷層從大橋東側300m處穿過,基本與橋軸線正交,大橋處在斷層上盤。劇烈的逆沖和向東擠壓使薄弱的拱片在承受近兩倍自重壓力的同時,還承受著巨大的順橋向水平慣性力,最終在斜撐的頂部(見照片7)和拱腳(見照片8)產(chǎn)生了斜下方向的剪切破壞,導致4跨主橋全部坍塌。從小魚洞大橋的破壞可以看出,剛架拱橋雖然具有結構輕巧、施工簡單、經(jīng)濟美觀等諸多優(yōu)點,但過于纖細薄弱的拱肋和斜撐應避免采用。2.2第3子事件和后續(xù)子事件地震矩場破裂面北端從北川開始跳躍至青川,直至陜西的寧強,主要以右旋走滑為主、兼具逆沖分量,其控制子事件為第3子事件和后續(xù)子事件,時間從第48s開始,釋放的地震矩約占總地震矩的18%。盡管破裂面北端釋放的能量并不大,但控制區(qū)域內(nèi)的橋梁破壞也較為嚴重,而且垮塌的橋梁軸線基本上與斷層走向成銳角,甚至平行于斷層的走向;主要由于地面劇烈的近南北向水平錯動,導致橋梁出現(xiàn)了位移破壞型的結構垮塌。(1)空心橋墩結構該橋位于九環(huán)線平武縣南壩鎮(zhèn)上場口,跨涪江,是九寨溝環(huán)線S205和省道S105共用路段上的一座大型橋梁。該橋全長207.04m,跨徑為10×20m預應力混凝土空心板橋,橋軸線與破裂面走向大致平行。橋位地處斷層上盤,由于沿橋軸向劇烈錯動和橫橋向擠壓,造成下游側上部結構均從南側支座上滑落,而上游側邊梁在撞毀檔塊后橫向拋落(見照片9、10)。由于斷層逆沖作用顯著減弱以及上部結構的迅速滑落,致使橋墩受到的豎向和水平向地震力較小,橋墩本身沒有發(fā)生破壞。(2)危橋結構概況明月渡涪江大橋全長141.32m,主橋為2×60m等截面懸鏈線雙曲拱,該橋已有33年橋齡,構造性缺陷和病害較多,原設計荷載等級較低,橋梁健康狀況較差已屬危橋。橋位地處斷層上盤,地層劇烈的錯動導致了這座整體性較差的危橋垮塌。(3)強烈的地面錯動—井田壩大橋井田壩大橋位于青川縣白龍湖水庫,主跨為2×75m鋼筋混凝土截面懸鏈線雙曲拱,橋位地處斷層的下盤。由于拱肋的起拱線較高,在河道中央設有一個高橋墩。從結構坍塌后的殘骸可以推測,由于地震時強烈的南北向地面錯動,導致大橋的南跨(照片12中左側一跨)倒塌。橋墩在只承受北跨水平推力下被剪斷并向南傾倒,進而導致了北跨拱橋喪失支承而垮塌。從明月渡涪江大橋(照片11)和井田壩大橋(照片12)的垮塌可以發(fā)現(xiàn),雙曲拱橋結構本身整體性較差,修建年代久遠而承載能力較低,加之地處破裂面北端,地層水平錯動劇烈,導致拱腳間出現(xiàn)背向型位移,從而導致結構垮塌。于此形成鮮明對比的是,在破裂面南端,許多石料砌筑的拱橋都幾乎完好的保存下來,其原因可能是由于區(qū)域內(nèi)斷層抬升作用顯著、但走滑較弱,地面水平錯動量小,斷層抬升對結構的超重作用由拱式結構本身強大的超載能力化解。3地面方面的破壞汶川地震破裂面南段以逆沖為主、兼具右旋走滑分量,釋放能量巨大,控制區(qū)域內(nèi)橋梁的破壞主要是受到強大的豎向和水平向地震力造成的強度破壞;而破裂面北段以右旋走滑為主、兼具逆沖分量,釋放的能量較小,控制區(qū)域內(nèi)橋梁的倒塌主要是由于地面劇烈的水平錯動導致的位移型破壞。針對破裂面兩端不同橋型的破壞特征和原因,對于強震區(qū)的橋梁抗震設計應當著重考慮以下幾個方面。3.1結構配拔與設計(1)應當充分考慮橋墩的延性設計,盡量采用直徑12mm以上的二級螺紋鋼筋作為箍筋,并加密箍筋的間距以保證足夠的配箍率,實現(xiàn)對核心混凝土的約束作用。(2)排架墩間橫梁的設置應防止出現(xiàn)強梁弱柱效應,保證第一塑性鉸產(chǎn)生在橫梁而不是橋墩上。(3)樁柱式結構應盡量避免在墩底出現(xiàn)整齊的施工接縫,導致抗剪薄弱面的出現(xiàn)。(4)支承應