汶川地震中公路橋梁震害分析

汶川地震中公路橋梁震害分析

0公路設(shè)施惡化2008年5月12日下午00點左右，四川省東龍門山構(gòu)造帶四川省四川龍門山構(gòu)造帶發(fā)生了8.0級強(qiáng)震。此次地震不僅在震中區(qū)附近造成災(zāi)難性的破壞,而且也給鄰近的甘肅和陜西造成大范圍的破壞,據(jù)不完全統(tǒng)計,烈度達(dá)到6度以上的地區(qū)有44×104km2,其影響更是波及到中國絕大部分地區(qū)乃至境外,是新中國建立以來中國大陸發(fā)生的破壞性最為嚴(yán)重的地震。此次地震中公路交通設(shè)施損壞嚴(yán)重,共有19條高速公路、159條國省干線公路、7605條農(nóng)村公路受損,損毀公路里程47277km,毀壞橋梁5560座,隧道110座,損失金額達(dá)653.06億元。極震區(qū)公路橋梁的破壞形式在映秀—北川斷裂帶南北兩段出現(xiàn)了顯著的差異,筆者從震源機(jī)制、斷裂帶運(yùn)動方式和橋梁結(jié)構(gòu)本身特點等方面分析了產(chǎn)生這一差異的原因,并在此基礎(chǔ)上對強(qiáng)震區(qū)的橋梁抗震設(shè)防提出了一些建議。1強(qiáng)震事件對比“5·12”汶川地震發(fā)生在四川省的龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶上。該構(gòu)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(gòu)造帶,經(jīng)歷了長期的地質(zhì)演化,具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。晚新生代的構(gòu)造變形主要集中在江油—灌縣斷裂(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(guān)褶皺之上(圖1)。這次強(qiáng)震發(fā)生在映秀—北川斷裂之上,震中位于四川省映秀鎮(zhèn)西南的牛眠溝蔡家杠村附近。此次地震破裂大致由3個主要的子事件組成。第1個子事件位于0~15s,這個時間內(nèi)釋放了總地震矩的16%;第2個子事件位于17~46s,為此次地震過程中最大也是最主要的一次事件,釋放了總地震矩的63%;最后一次事件位于48~60s,釋放了總地震矩的16%。地震斷裂帶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(jī)制比較復(fù)雜,在震源過程中震源機(jī)制隨著時間和空間發(fā)生變化。如果將整個震源過程分成7個階段,在地震的開始階段表現(xiàn)為逆沖為主,但后來逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰呋瑸橹鳌?個階段對應(yīng)的地震震級分別為Mw7.1、Mw7.1、Mw7.6、Mw7.4、Mw7.4、Mw7.4和Mw7.2,如圖2所示。2典型橋道地震分析2.1釋放的地震矩斷裂帶南段從映秀至漢旺,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、2子事件,位于0~46s,釋放的地震矩約占總地震矩的80%。此次地震中斷裂帶南段控制區(qū)域內(nèi)的橋梁破壞極為嚴(yán)重,發(fā)生垮塌的橋梁絕大多都集中在這一區(qū)域及其周邊,其中幾座典型的橋梁均處在斷層的上盤,結(jié)構(gòu)因同時受到巨大的豎向和水平地震力作用,出現(xiàn)了由構(gòu)件強(qiáng)度失效破壞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)垮塌。2.1.1結(jié)構(gòu)延性性能差百花大橋位于映秀鎮(zhèn)以南1km左右的岷江右岸,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,平面位于半徑R=150m的左偏圓曲線、192.601m直線以及R=66m的右偏圓曲線上。該橋距離震中僅1.5km,地處斷層的上盤,強(qiáng)大的逆沖作用使結(jié)構(gòu)承受巨大的超重作用,導(dǎo)致橋墩軸壓比成倍增大,其內(nèi)部的縱向鋼筋和混凝土的壓應(yīng)力陡增,極大地限制了結(jié)構(gòu)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)了混凝土壓潰型破壞(圖3)。此外,結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也存在著許多不利于結(jié)構(gòu)延性等抗震性能發(fā)揮的因素:(1)強(qiáng)梁弱柱效應(yīng)。橋墩之間的中橫梁過于強(qiáng)大,導(dǎo)致強(qiáng)梁弱柱效應(yīng)的出現(xiàn),使結(jié)構(gòu)的第一塑性鉸出現(xiàn)在梁柱節(jié)點處的橋墩上,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。(2)橋墩配箍率。經(jīng)筆者現(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,配箍率僅為0.06%,遠(yuǎn)低于《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004—89)和《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/TB02-01—2008)規(guī)定的配箍率大于0.3%的要求,導(dǎo)致核心混凝土幾乎沒有約束,其極限應(yīng)力和應(yīng)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(zāi)區(qū)考察發(fā)現(xiàn),混凝土結(jié)構(gòu)的骨料基本上采用光圓的河卵石,此類骨料與水泥的膠結(jié)面過于整齊而降低了膠結(jié)強(qiáng)度,在往復(fù)荷載作用下,混凝土極易出現(xiàn)粉碎性崩潰。(4)支承方式。該橋曲線段上的第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(dǎo)致全聯(lián)上部結(jié)構(gòu)所受的水平地震力幾乎完全由固定支座下的橋墩承擔(dān),該橋墩在強(qiáng)大的地震力作用下迅速破壞,進(jìn)而在全聯(lián)出現(xiàn)多米諾效應(yīng)式坍塌。2.1.2斷裂帶走向的夾角該橋位于映秀鎮(zhèn)以北約500m處,橋軸線與斷裂帶走向的夾角小于30°。由于橋墩與樁基礎(chǔ)的施工接縫過于整齊,在強(qiáng)大的豎向和水平地震力作用下,墩底產(chǎn)生剪切破壞而倒塌(圖4)。2.1.3近雙向斜沖剪切破壞小魚洞大橋位于彭州市小魚洞鎮(zhèn),全橋總長187m,其中主橋為4×40m剛架拱,橋?qū)?2m,橫橋向由5片拱肋組成。橋軸線近東西向,斷層從大橋東側(cè)300m處穿過,基本與橋軸線正交,該橋處在斷層的上盤。劇烈的逆沖和向東擠壓使薄弱的拱肋在承受近2倍自重壓力的同時,還承受著巨大的順橋向水平慣性力,最終在斜撐的頂部和拱腳產(chǎn)生了斜下方向的剪切破壞(圖5),導(dǎo)致4跨主橋全部坍塌。由此可以看出,剛架拱橋雖然具有結(jié)構(gòu)輕巧、施工簡單、經(jīng)濟(jì)美觀等諸多優(yōu)點,但拱肋過于纖細(xì)薄弱且斜撐抗震性能較差,應(yīng)避免采用。2.2子事件和后續(xù)子事件的地震矩場斷裂帶北段從北川開始跳躍至青川直至陜西寧強(qiáng),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%。盡管斷裂帶北段釋放的能量不大,但控制區(qū)域內(nèi)的橋梁破壞也較為嚴(yán)重,而且垮塌的橋梁軸線基本上與斷裂帶走向成銳角,甚至與斷裂帶的走向平行,其主要由于地面劇烈的近南北向水平錯動,從而導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)了位移型破壞的結(jié)構(gòu)垮塌。2.2.1空心橋墩結(jié)構(gòu)南壩涪江新橋位于平武縣南壩鎮(zhèn)上場口,跨越涪江,是九寨溝環(huán)線S205和省道S105共用路段上的一座大型橋梁。該橋全長為207.04m,跨徑為10×20m,預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋,橋軸線與斷裂帶走向大致平行。橋位地處斷層的上盤,沿橋軸向劇烈錯動和橫橋向擠壓導(dǎo)致上游側(cè)邊梁在撞毀橋墩蓋梁上的擋塊后橫向拋落,而下游側(cè)上部結(jié)構(gòu)大部分順橋向落梁(圖6)。由于斷層逆沖作用顯著減弱,以及上部結(jié)構(gòu)的迅速滑落致使橋墩受到的豎向和水平地震力較小,基本沒有發(fā)生破壞。2.2.2懸鏈線雙曲拱橋梁南壩明月渡涪江大橋全長為141.32m,主橋為2×60m等截面懸鏈線雙曲拱,該橋已有33年的橋齡,構(gòu)造性缺陷和病害較多,原設(shè)計荷載等級較低,橋梁健康狀況較差且已屬危橋。橋位地處斷層的上盤,地層劇烈的錯動導(dǎo)致了這座整體性較差的危橋垮塌,如圖7所示。2.2.3結(jié)構(gòu)垮塌原因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(shè)有1個高橋墩,從結(jié)構(gòu)坍塌后的殘骸可以推測,由于地震時強(qiáng)烈的南北向地面錯動,導(dǎo)致大橋的南跨(圖8左側(cè)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(jìn)而導(dǎo)致了北跨拱橋喪失支承而垮塌。從南壩明月渡涪江大橋和井田壩大橋的垮塌可以發(fā)現(xiàn),雙曲拱橋結(jié)構(gòu)本身整體性較差,年代久遠(yuǎn)而承載能力較低,加之地處斷裂帶北段,地層水平錯動劇烈導(dǎo)致拱腳間出現(xiàn)背向型位移,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌。與此形成鮮明對比的是,在斷裂帶的南段,許多石料砌筑的拱橋都幾乎完好的保存下來,可能是由于區(qū)域內(nèi)斷層抬升作用顯著而走滑較弱,地面水平錯動量小,斷層抬升對結(jié)構(gòu)的超重作用由拱式結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)大的超載能力所化解。3斷裂帶中段的地震響應(yīng)“5·12”汶川地震斷裂帶南段以逆沖為主兼具右旋走滑分量,釋放的能量巨大,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的橋梁破壞主要是由于受到強(qiáng)大的豎向和水平地震力造成的強(qiáng)度失效型破壞;斷裂帶北段以右旋走滑為主兼具逆沖分量,釋放的能量較小,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)橋梁的倒塌主要是由于地面劇烈的水平錯動導(dǎo)致的位移型破壞。針對斷裂帶南北兩段不同橋型的破壞特征和原因,對于強(qiáng)震區(qū)的橋梁抗震設(shè)防應(yīng)當(dāng)分別對梁式結(jié)構(gòu)和拱式結(jié)構(gòu)著重考慮。3.1結(jié)構(gòu)設(shè)置要求(1)橋墩的延性設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分考慮,應(yīng)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(shè)置應(yīng)防止出現(xiàn)強(qiáng)梁弱柱效應(yīng),保證第一塑性鉸產(chǎn)生在橫梁而不是橋墩上。(3)樁柱式結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免在橋墩底出現(xiàn)整齊的施工接縫,防止抗剪薄弱面的出現(xiàn)。(4)支承應(yīng)選用板式橡膠支座,使上部結(jié)構(gòu)的慣性力均勻地分配給各橋墩。(5)應(yīng)增加橋墩蓋梁的寬度以增加主梁的支承長度,強(qiáng)震區(qū)橋梁應(yīng)考慮安裝連梁裝置,避免上部結(jié)構(gòu)在地震中落梁。(6)裝配式橋梁的橫向抗震擋塊應(yīng)引入以地震力為控制的斷面設(shè)計,避免設(shè)計、施工的隨意性,主梁和擋塊之間應(yīng)設(shè)置木塊、橡膠墊塊等緩沖裝置,以降低主梁的沖擊作用。3.2抗拉墩性能的改造(1)中國早期修建的雙曲拱橋大多已經(jīng)成為需要加固、拓寬改建的舊橋甚至危橋,應(yīng)盡快將其改造成整體性高、抗震性能較好的板拱和箱拱。(2)應(yīng)加強(qiáng)連拱的橋墩斷面設(shè)計,充分重視抗推墩的作用,防止連續(xù)垮塌災(zāi)害的出現(xiàn)。(3)在強(qiáng)震區(qū)應(yīng)避免采用構(gòu)件纖細(xì)的剛架拱橋,而盡量采用整體性好、斷面強(qiáng)大的板拱和箱拱。4橋梁抗震設(shè)計的要求與要求從震害中吸取經(jīng)驗和教訓(xùn)是推動橋梁抗震設(shè)計理論、方法和抗震構(gòu)造措施發(fā)展及進(jìn)步不可替代的動力[7,8,9,10,11,12,1