汶川地震中的桥梁震害调查与分析

汶川地震中的桥梁震害调查与分析

2008年5月12日，中国四川发生了重大地震，造成巨大损失和经济损失。这是新中国成立以来首次发生的毁灭性、影响最大、救援困难的地震。四川地震的结构特征是高角度逆冲，左右滑动。这种类型的地震在中国首次发生，而且世界大陆上也罕见。汶川地震发生在我国西部山区,同唐山地震这种平原地区地震灾害相比,震害具有非常显著的不同特征.地震导致大量的桥梁受损和破坏,据2008年6月19日交通运输部新闻发言人公布的交通路桥损毁数据,汶川地震共造成24条高速公路、161条国省干线、8618条乡村公路、156条隧道受损,受损桥梁高达6140座.公路、桥梁、隧道各类交通基础设施损毁的直接经济损失达670亿元,其中桥梁损毁最为严重.依据作者在汶川地震灾区参加地震应急和科学考察期间积累的资料,对都江堰市、汶川县、北川县、彭州市、绵竹市、江油市、平武县、青川县等极重灾区的数十座桥梁的震害进行归纳和总结,描述了汶川地震中桥梁震害的一些主要特征.1桥梁地震的主要特点1.1桥墩结构及震害特征汶川地震中有多座桥梁垮塌,造成交通运输中断,严重影响了应急救灾工作.这些在地震中垮塌的桥梁,基本上涵盖了公路桥梁经常采用的主要结构形式.地震中有多座桥梁发生垮塌破坏,多数垮塌桥梁是由于强烈的地震地面运动或者地面永久变形造成的,也有部分桥梁是由于山体滑坡被土石冲垮的.本文讨论的桥梁震害问题都是由地震地面运动导致的.百花大桥位于都汶公路,2004年12月建成通车,距离映秀镇约2km,该地区为震中区.桥梁结构形式为多跨连续梁桥,由曲线段和直线段组成.桥墩采用双墩结构,随地势高低不一,较高的双墩间设有连梁、无盖梁,墩顶设板式橡胶支座,主梁直接支撑于支座上.主梁主要由空心板梁组成,仅有一跨因跨度较大而采用了T型梁结构.主要的震害特征有:1)位于曲线段的3跨曲线梁桥整体性垮塌,见图1(a)、图1(b);2)桥墩弯剪破坏,见图1(c)、图1(d);墩间连梁剪切破坏,见图1(e);3)主梁移位但未造成落梁,见图1(f)、图1(g);4)地基向河心滑移导致桥梁基础位移,见图1(h).初步分析,百花大桥倒塌的原因似为强烈的地震地面运动和基础移位导致上部结构位移反应过大,形成落梁,进而造成桥墩倒毁.倒塌的部分位于曲线段,说明该段桥梁弯-扭地震反应效应比较显著,这可能是震害形成的主要原因.小鱼洞大桥位于彭白公路上,是通往彭州山区银厂沟和回龙沟风景区的唯一通道.结构形式为4跨桁架拱桥,每跨均为5片混凝土拱券通过连梁连接为整体.主要震害特征为:1)2跨整体性垮塌,支撑立柱倾斜,见图2(a)、图2(b);2)拱腿上、下端剪弯破坏,见图2(c)、图2(d);3)断层引起地面隆起,横穿桥梁北端路堤,导致路面、桥涵受损,见图2(e);4)地基开裂,伴有砂土液化现象,见图2(f).小鱼洞大桥的震害机制可能是汶川地震桥梁震害中最复杂的,初步分析,强烈地面运动导致桥梁纵向位移过大,首先使南侧桥台处支撑失效,拱结构转化为梁结构,进而造成南侧第一跨整体塌落,并牵引第二跨垮塌.支柱倾斜是第一跨垮塌引起的,但在桥下发现了明显的液化迹象,说明地基在地震中可能已经失效.至于桥北的断层并未真正穿过桥梁,只是造成了路堤严重破损,似乎未对桥梁本身造成大的影响.高树大桥位于汶川县映秀镇,是一座平行于岷江建造的多跨简支梁桥,地震时尚未建造完成.因桥址位于震中区,烈度达到Ⅺ度.强烈的地面运动导致主梁位移过大,造成落梁,进而导致下部结构连续倒塌.震害情况见图3.1.2桥台地理位置及主要震害情况地震作用下桥梁上部结构产生过大位移,或者桥梁限位能力不足可导致落梁破坏,这种形式的桥梁震害在汶川地震中比较多见.下面给出比较典型的落梁破坏实例.南坝涪江桥位于平武县南坝镇,引发汶川地震的映秀-北川断裂发震断层从南坝镇穿过,该桥距离断层约200m.南坝镇内原有一座跨越涪江的老桥,在地震中完全倒毁,见图4(a).新桥正在建设,地震时尚未竣工.南坝涪江桥结构形式为多跨简支梁桥,双墩通过盖梁支撑主梁.地震造成中间5跨主梁完全下落,南北两侧部分主梁下落,见图4(b).南侧桥台有移位迹象,见图4(c),表明桥台处地面发生过较大的变形.庙子坪大桥位于都汶高速公路,横跨紫坪铺水库,全长1436m,桥墩高100余m.桥梁结构形式为3跨T型连续刚构桥加跨度50m的简支梁桥组成.地震中10号墩和11号墩间的主梁下落到水库中,见图5(a)、图5(b),其他跨均未发生落梁,但上部结构移位迹象明显,多处支座和挡块破坏,见图5(c).庙子坪大桥属于高墩梁桥,振动特性比较特殊,仅有一跨发生落梁原因以及落梁的位置为什么位于10号至11号墩之间,有待进一步研究.高原大桥位于都江堰市虹口乡高原村,为4跨简支梁桥.主要震害为一跨落梁,见图6(a),沿纵向和横向主梁均有明显移位迹象,见图6(b),盖梁上设置的挡块被挤碎.其中纵向位移较大,导致南侧桥台上主梁被顶入路基,路面板隆起,见图6(c).北侧桥台混凝土碎裂,有移动迹象,但不明显.高原大桥震害的主要原因应该是桥台纵向限位能力不强,导致主梁位移过大所致.1.3运用川县将出台跨放空梁桥,导致跨桥台混凝土开裂,导致桥台混凝土开裂导致上部结构落梁的原因有多种.汶川地震有些桥梁上部结构虽然没有落梁,但发生了比较大的移位,导致无法通行.上部结构移位特征比较明显的桥梁有映秀岷江大桥和寿江大桥.映秀岷江大桥位于汶川县映秀镇,是213国道从映秀到汶川方向的第一座桥,距离断层不足100m.该桥为4跨简支梁桥,全长125m,宽10m,主要震害为上部结构发生较大移位,上部结构纵向脱离支座位移20多cm,横向最大位移达1.4m.值得指出的是,该桥上部结构在两岸的位移方向正好相反,整个上部结构沿顺时针方向发生明显的旋转.汶川岸的边梁折断.岷江大桥的震害见图7.寿江大桥位于213国道漩口镇附近,是跨越岷江的一座桥梁,结构形式为简支梁桥.该桥主要震害特征是上部结构沿纵向移位,边跨近于落梁.上部结构与桥台碰撞,导致桥台混凝土开裂.寿江大桥震害如图8所示.1.4桥台破坏情况汶川地震中由于桥台或桥墩破坏导致的桥梁震害是一种典型的震害现象,前面介绍的几座桥梁中有些就存在这种特征的震害.其中桥墩发生破坏的非常少见,作者在地震现场考察过程中仅发现百花大桥桥墩有破坏现象,桥台发生破坏的桥梁却比较多见.桥台破坏的主要原因是主梁与桥台相互作用所致,多表现为胸墙、翼墙混凝土碎裂,如高原大桥、寿江大桥、庙子坪大桥等,有些则是桥台地基滑移、震陷所致.图9为都江堰市龙池镇沙河沟桥的震害情况,桥台整体下陷70多cm,桥台下土体有明显裂缝,宽约9cm,竖向开裂达23cm.桥台上可见轻微裂纹.都汶公路上受损桥梁有数十座,这些桥梁很多建于山腰处,由于地基土向山下滑移导致桥台或桥墩基础移位的桥梁不在少数,如百花大桥等.2高墩曲线梁桥抗震问题本文依据汶川地震现场考察资料,对9座典型桥梁震害进行了归纳、总结.汶川地震提供了丰富的桥梁震害经验,有待于进一步的深入研究.基于本文的工作,得出以下初步结论:1)山区桥梁多采用梁桥、拱桥等结构形式,地形、地质情况复杂,随地势而建的桥梁桥墩高矮不一,有些桥墩高度超过100m,因此山区桥梁的振动特性和地震反应行为较为复杂,特别像百花大桥这样的高墩曲线梁桥抗震问题,需要专门研究.2)汶川地震中震害严重的桥梁多表现为上部结构移位过大或者落梁,桥墩震害普遍较轻.有些桥墩倒塌的震害实例,如映秀高树大桥,是由于首先发生落梁而导致的,并非桥墩自身发生地震破坏.说明桥梁上部结构和下部结构连接是桥梁抗震的薄弱环节,常用的通过橡胶支座连接上、下部结构的方式不能有效地降低上部结构过大的位移,目前的桥梁限位措施不能有效地防止落梁.3)汶川地震桥梁震害中桥台破坏主要有2种原因,一是主梁与桥台剧烈的相互作用导致胸墙等发生破坏,二是由于桥台地基滑移、