汶川地震對(duì)幾座橋梁震害分析

汶川地震對(duì)幾座橋梁震害分析

2008年5月12日下午14點(diǎn)左右，四川四川發(fā)生了8.0級(jí)強(qiáng)震。在這次地震中,交通生命線的嚴(yán)重破壞也給抗震救災(zāi)帶來相當(dāng)?shù)碾y度。中國(guó)交通網(wǎng)在2008年6月20公布的數(shù)據(jù)顯示:在汶川地震中,全國(guó)共有24條高速公路、161條國(guó)省干線、8618條農(nóng)村公路損毀,總里程53289km。其中6140座橋梁、156條隧道受損。在眾多的受損橋梁中,靠近斷層附近的幾座橋梁破壞尤為嚴(yán)重。例如高原大橋、百花大橋、廟子坪大橋以及小魚洞大橋等,它們均處于斷層10km范圍之內(nèi),詳見表1。筆者針對(duì)上述幾座大橋的震害,并結(jié)合斷層的場(chǎng)地特征,初步探討、分析斷層附近大橋的破壞機(jī)理。以便為以后高烈度地區(qū)橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供一些思考。1川、川、果類公路斷裂筑壩區(qū)汶川地震中龍門山斷裂帶由3條逆沖斷裂組成,分別是安縣—灌縣斷裂帶、映秀—北川斷裂帶和汶川—茂縣斷裂帶,如圖1。整個(gè)地震帶地表破裂全長(zhǎng)約275km,寬約15km,整體走向北東40°～70°。這幾大破裂帶造成地表斷裂、山體垮塌、砂土液化等災(zāi)害。地表斷層造成地表錯(cuò)動(dòng)、鼓起,路面或者河床被抬高。例如在震中映秀鎮(zhèn),岷江邊上的一公路路基被抬高近3m,北川擂鼓鎮(zhèn)的一河床被抬高約2.6m。在都江堰虹口鄉(xiāng)八角廟地區(qū),地表豎向錯(cuò)動(dòng)達(dá)4.3m,而在虹口鄉(xiāng)深溪溝,地表水平右旋錯(cuò)位高達(dá)5m。山體大量滑坡將沿線峽谷的河道堵塞,形成十多個(gè)堰塞湖,如北川唐家山堰塞湖、青川石板溝堰塞湖等。GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,將考慮發(fā)震斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面建筑的影響。對(duì)于丙類建筑,當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8°時(shí),建筑物應(yīng)避開主斷裂帶200m;當(dāng)抗震設(shè)防類別為9°時(shí),建筑物應(yīng)避開主斷裂帶300m。然而中國(guó)地震局震害防御司在汶川地震后編制的《四川、甘肅、陜西部分地區(qū)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》與《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》相比,低檔峰值加速度分區(qū)內(nèi)的城鎮(zhèn)數(shù)目減少,而位于高峰值加速度分區(qū)內(nèi)的城鎮(zhèn)數(shù)目增加較多。這說明汶川地震前,這些地區(qū)的抗震設(shè)防烈度相對(duì)偏低。汶川地震烈度高,其遠(yuǎn)大于建筑、橋梁自身的抗震設(shè)防烈度,這是橋梁損害嚴(yán)重的重要原因之一。在這次地震中,幾座大型橋梁都在斷層附近,如高原大橋和小魚洞大橋距離斷層都在幾十米之內(nèi),因此幾乎都遭受嚴(yán)重破壞。2附近橋梁的地震風(fēng)險(xiǎn)分析2.1地表加速度特征在地震過程中,在不同的震中距或者不同的地質(zhì)條件下,地震作用對(duì)建筑物的破壞影響程度是很不相同的。因?yàn)榈卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中,隨著傳輸距離和地質(zhì)分布的改變而不斷改變。很顯然,近場(chǎng)的地震動(dòng)特征與遠(yuǎn)場(chǎng)是不同的。因此,分析研究近場(chǎng)地震動(dòng)特征對(duì)近場(chǎng)結(jié)構(gòu)物的抗震有著十分重要的意義。巖層或者土層在高應(yīng)力作用下突然發(fā)生斷裂、破碎,隨之產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。這種沖擊波幅值大、能量高,沿著垂直于斷層方向傳播較為明顯。近斷層地表產(chǎn)生強(qiáng)烈的長(zhǎng)周期脈沖型運(yùn)動(dòng),甚至造成永久性位移?；镜卣鸺铀俣仁呛饬繄?chǎng)地在地震作用下的一個(gè)重要參數(shù)。由于地震波在斷層附近傳播時(shí)能量幾乎沒有任何衰減,因此斷層附近地表則產(chǎn)生較大的水平、豎向峰值加速度。在以往地震中,1994年美國(guó)Northridge地震、1999年臺(tái)灣集集地震以及2001年我國(guó)的施甸地震所收集的數(shù)據(jù)表明,在接近震中或者斷層附近產(chǎn)生較強(qiáng)的豎向地震作用,有些豎向加速度超過了水平加速度。表2列出了離百花大橋、小魚洞大橋、高原大橋較近的一些地震臺(tái)網(wǎng)所測(cè)得的地表加速度資料2.2廟子坪大橋在汶川地震中,落梁是斷層附近橋梁上部結(jié)構(gòu)最嚴(yán)重的震害。落梁主要是上部結(jié)構(gòu)位移過大、鄰梁之間產(chǎn)生撞擊、支座檔塊約束失效所致。由于土層性質(zhì)的影響,地震波在各層土中有濾波和放大作用,因此不同土層的地震動(dòng)會(huì)不相同。橋梁是多支點(diǎn)的長(zhǎng)線形結(jié)構(gòu),橋墩基礎(chǔ)之間距大,導(dǎo)致同一橋梁可能有不同的地震輸入,即有地震的行波效應(yīng)產(chǎn)生。橋梁的長(zhǎng)度越長(zhǎng),行波效應(yīng)越顯著,橋墩間的差動(dòng)位移就越大,而且在橋梁縱向更加明顯。位移不同就意味著梁與梁水平方向位移不協(xié)調(diào),從而使它們產(chǎn)生相互碰撞。當(dāng)梁在縱向上的位移超過了梁端的搭接長(zhǎng)度時(shí),就產(chǎn)生落梁震害。如圖2,都汶高速中的廟子坪大橋。該橋橫跨紫平鋪水庫,全長(zhǎng)1440m。部分橋墩處于水庫中,部分橋墩處于岸邊土坡上,橋墩基礎(chǔ)處于地質(zhì)條件不同的土層。因此該橋在地震時(shí)遭受多點(diǎn)不同的地震波激勵(lì),橋墩的動(dòng)力反應(yīng)相差較大,主梁產(chǎn)生明顯的縱橫向位移。連續(xù)剛構(gòu)側(cè)第五孔50m長(zhǎng)T梁縱向位移高達(dá)50cm,產(chǎn)生落梁震害。近斷層的地震動(dòng)往往是高能量、長(zhǎng)周期的脈沖型運(yùn)動(dòng)。這些脈沖運(yùn)動(dòng)周期接近于甚至大于橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期,使結(jié)構(gòu)遭受較大沖擊力和位移變形。這必然會(huì)增加對(duì)結(jié)構(gòu)的非彈性變形要求,結(jié)構(gòu)往往會(huì)在瞬間的巨大位移變形下進(jìn)入非線性階段。特別地,當(dāng)斷層處強(qiáng)烈的地表錯(cuò)動(dòng)造成永久性位移時(shí),必然會(huì)使橋梁上部結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞。如圖3,地處都江堰虹口鄉(xiāng)的高原大橋,距離斷層僅30m左右,橋縱向與斷層方向夾角較大。斷層處產(chǎn)生的沖擊波沿垂直斷層方向傳播明顯。因此,該斷層造成了高原大橋在縱向產(chǎn)生強(qiáng)烈的上部位移。由于主梁整體從虹口側(cè)向高原側(cè)縱向移動(dòng),導(dǎo)致1#～2#跨主梁虹口端縱橋向位移過大,超過了搭接長(zhǎng)度而脫離蓋梁,如圖3(b)。此外,2#～3#跨主梁存在落梁危險(xiǎn),該跨主梁在3#墩蓋梁的搭接長(zhǎng)度很小,幾乎與蓋梁外緣平齊,如圖3(c)。在JTJ004—89《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中,對(duì)于位于基本烈度為9°區(qū)的大跨徑、懸臂梁橋,還應(yīng)考慮上下兩個(gè)方向豎向地震荷載和水平地震荷載的不利組合。通常情況下,按照水平地震動(dòng)的某一比例來考慮豎向地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響,公認(rèn)的結(jié)果是豎向加速度約為水平向的1/2～1/3。然而斷層附近的地表豎向峰值加速度幾乎等于甚至大于水平峰值加速度,那么實(shí)際的豎向地震作用遠(yuǎn)大于橋梁本身的抗震設(shè)防要求。斷層附近地表較大的水平峰值加速度使橋墩進(jìn)入非線性工作狀態(tài),同時(shí)較大的豎向地震作用使橋墩產(chǎn)生明顯的P-Δ效應(yīng),橋墩頂部容易出現(xiàn)較大的側(cè)向位移,甚至產(chǎn)生永久性位移。百花大橋、廟子坪大橋、高原大橋的落梁震害無不與這一原因相關(guān)。2.3橋橋的幾何線形布置抗震概念設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)的重要步驟。與建筑結(jié)構(gòu)類似,抗震結(jié)構(gòu)體系和延性對(duì)于橋梁而言同樣十分重要。在橋梁的幾何線形布置時(shí),盡量將橋布置成直線橋。彎橋和曲線橋的地震反應(yīng)十分復(fù)雜。此外,沿橋軸向的橋墩高低不平、剛度變化較大,造成地震力分配不均,剛度大的橋墩先破壞。在延性設(shè)計(jì)方面,墩柱的抗剪強(qiáng)度應(yīng)不小于彎曲強(qiáng)度,以防止脆性破壞。在墩柱設(shè)置塑性鉸,具有延性耗能作用。此次地震中橋墩主要的破壞是裂縫和傾斜。2.3.1橫向地震作用地處震中映秀附近的百花大橋,上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)曲線板梁橋,最小曲線半徑約為200m,橋?qū)?.5m。曲線段橋梁在地震中完全垮塌,如圖4(a)。由于該橋地處震中且有斷層從橋下通過,豎向地震作用十分明顯。曲線段的上部結(jié)構(gòu)的重心偏離橋墩,在下部橋墩內(nèi)產(chǎn)生較大的附加彎矩作用,對(duì)抗震十分不利。由于曲線橋本身的動(dòng)力特性較為復(fù)雜,受雙向地震作用較為明顯。該橋多處出現(xiàn)板梁與墩嚴(yán)重橫向錯(cuò)位,甚至有一橋墩完全脫離。如圖4(b),在橫向地震作用下墩與梁板之間出現(xiàn)了明顯較大的橫向錯(cuò)動(dòng)。該橋處于岷江峽谷,地理?xiàng)l件使橋墩高低不一。如圖4(c),位于公路與彎曲橋段之間的斜坡上的橋墩,高度比其他矮,線剛度較大。這類似于建筑上的短柱而承擔(dān)了較大的地震作用,遭受嚴(yán)重破壞。該破壞是由于墩底彎曲延性不足,混凝土保護(hù)層有粉碎性破壞。百花大橋在直線段的橋墩高度較大,所以在雙墩一定高度設(shè)置系梁,從而提高雙墩的協(xié)調(diào)工作的能力。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),多處橋墩的系梁梁端出現(xiàn)裂縫、混凝土脫落、鋼筋彎曲等破壞。這類似于建筑結(jié)構(gòu)的梁端出現(xiàn)“塑性鉸”,消耗地震能量,起到了保護(hù)橋墩的重要作用,如圖4(d)。此外,如2.2節(jié)中所述,高原大橋有一跨主梁產(chǎn)生落梁。該落梁撞擊下部橋墩過程中,施加一個(gè)較大的沖擊荷載,導(dǎo)致橋墩上產(chǎn)生了數(shù)條水平裂縫。2.3.2斷層作用的影響在橋梁設(shè)計(jì)中,橋位選擇是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。選擇有利的地段是提高橋梁抗震效果的重要措施。避免或減輕地震作用下因地基變形或地基失效造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞。由于斷層處的地表運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,高能地震波在一定程度上會(huì)改變土層的特性。土層承載力下降和土層錯(cuò)動(dòng)等都會(huì)影響上部橋墩。在汶川地震中,處于斷層附近的百花大橋、高原大橋、小魚洞大橋的都在地震中發(fā)生了嚴(yán)重傾斜。百花大橋橋臺(tái)基礎(chǔ)為較好的山坡基巖,而中間直線段橋梁基本位于江邊沖擊而成的軟土區(qū)。這兩類土質(zhì)的特性相差很大,受地震作用影響程度各不相同。由于地表破裂和殘余變形導(dǎo)致江中各個(gè)橋墩與地基產(chǎn)生較大殘余位移,橋墩整體向岷江江心傾斜。四川大學(xué)水電學(xué)院的巖土工程科研人員在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),都江堰高原大橋兩側(cè)的橋臺(tái)之間的距離比震前要小,縮小的距離高達(dá)1.8m。這說明該橋下的土層在斷層作用下發(fā)生了巨大變形。在墩下地基土層的變形以及上部主梁沖撞的綜合作用下,高原大橋的橋墩發(fā)生了明顯的縱向傾斜,如圖5(a)。彭州市小魚洞鎮(zhèn)的小魚洞大橋,處于主斷裂帶旁邊。在斷層、砂土液化等綜合因素影響下,該處地表土層塌陷1.2m。該橋的橋墩在地震中也發(fā)生了嚴(yán)重傾斜,如圖5(b)。2.4橋臺(tái)土壓力較大,3在歷次地震中,橋臺(tái)都有不同程度的破壞。在汶川地震中,橋臺(tái)的幾種主要破壞類型是:臺(tái)身開裂、塌陷,側(cè)墻開裂、外移,護(hù)坡?lián)p壞等。由于地震加速度,作用在橋臺(tái)上的縱向土壓力增大,橋梁與橋臺(tái)之間沖撞會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的被動(dòng)土壓力,增加橋面以下處的橫向土壓力及上部結(jié)構(gòu)之間的沖撞。那么不夠緊密的天然土或填土有向橋梁方向塌陷的趨勢(shì),土壤的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)著橋臺(tái)下部向內(nèi)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致橋臺(tái)下部的土產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)破壞。對(duì)于地處斷層附近的高原大橋,斷層處的地震波沿著垂直于斷層方向傳播較為明顯(橋梁縱向),兩側(cè)橋臺(tái)縱向土壓力較大。此外由于兩橋臺(tái)距離縮小和主梁縱向運(yùn)動(dòng)沖撞橋臺(tái),胸墻橫向嚴(yán)重開裂,如圖6(a)。橋臺(tái)頂部同上部結(jié)構(gòu)之間的接觸限制橋臺(tái)頂部的位移,由上部結(jié)構(gòu)的沖擊造成橋臺(tái)搭板損壞隆起,如圖6(b)。此外,地處斷層附近的彭州小魚洞大橋,遭受過大縱向地震作用,橋臺(tái)撞擊痕跡明顯,側(cè)墻開裂嚴(yán)重,如圖6(c)。胸墻后路基錯(cuò)動(dòng)、塌落,剛性路面板嚴(yán)重破壞隆起。2.5擋塊和支柱破壞在地震過程中,橋梁結(jié)構(gòu)受雙向地震作用。越是靠近震中或者斷層,地震對(duì)橋梁的橫向地震作用越是明顯。對(duì)于簡(jiǎn)支梁橋,在橋墩蓋梁處設(shè)置伸縮縫,此處是橋梁在縱向上剛度突變的薄弱環(huán)節(jié)。因此在橫向地震往復(fù)作用下,伸縮縫處設(shè)置的擋塊容易遭受主梁的撞擊而發(fā)生剪切破壞。如圖7和圖8,都汶高速上的廟子坪大橋在地震中伸縮縫處發(fā)生了明顯橫向錯(cuò)動(dòng),擋塊也因T梁撞擊而嚴(yán)重破壞。支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩的構(gòu)件,它也是橋梁結(jié)構(gòu)體系中抗震性能比較薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。它的布置應(yīng)該有利于墩臺(tái)縱向水平力的傳遞和梁體的自由變形,并對(duì)結(jié)構(gòu)起抗震防線重要作用。實(shí)際工程中用得較多的是柔性橡膠支座。這類支座可以對(duì)橋梁起一定的隔震作用。但是在地震作用下,由于連接及支擋等構(gòu)造措施不足,主梁的往復(fù)縱向運(yùn)動(dòng)使支座也發(fā)生位移,這增加了主梁的位移響應(yīng),易造成主梁相互撞擊甚至落梁。在汶川地震中,北川龍王灘大橋、都江堰高原大橋和廟子坪大橋的支座都發(fā)生嚴(yán)重破壞。然而,高原大橋和廟子坪大橋的落梁與支座的損壞不無關(guān)系。3抗側(cè)力及結(jié)構(gòu)體系通過對(duì)汶川地震近場(chǎng)附近幾座橋梁的震害分析,可以得出以下結(jié)論和建議:1)做好橋址的選擇和調(diào)查工作,這對(duì)橋梁抗震十分重要。選擇橋址時(shí)應(yīng)盡量避免發(fā)震、斷裂地段。除了考慮區(qū)域性地震烈度外,還應(yīng)考慮局部地形地貌對(duì)橋梁震害的影響。地質(zhì)條件差異顯著會(huì)增加上部結(jié)構(gòu)在地震時(shí)落梁的可能性。2)選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系。由于彎橋、曲線橋動(dòng)力特性復(fù)雜,雙向地震作用明顯。在對(duì)橋梁進(jìn)行幾何線