汶川地震对大型桥梁破坏模式的影响

汶川地震对大型桥梁破坏模式的影响

公路、桥梁破坏“5.12”是中国民主革命时期四川8.0级地震的最大一次地震。这次地震主要有以下几个特点:震级大、震源浅、波及范围广、工程震害及次生灾害严重。同时,由于桥梁毁坏、山体滑坡和坠石造成了道路阻断,大大增加了地震应急救援的难度。汶川地震及引发的滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害,使阿坝、绵阳、广元、成都、德阳、雅安等市(州)交通基础设施严重损毁,汶川、茂县、北川、青川、平武、卧龙等县(区)和震中地区多数乡镇对外交通一度完全中断,部分路段遭到了根本和永久性的破坏。地震造成G108、G212、G213、G317、G318线5条国道和S105、S106、S205、S210、S211、S301、S302、S303、S305、S306线10条省道等干线公路严重受损和断道,桥梁损坏1177座,共计61353延米。沿发震断层附近的庙子坪大桥、百花大桥、小渔洞大桥、石蓑衣大桥和回澜立交桥等破坏、损毁尤其严重。这几座桥梁距离主发震断层或前山断裂均在20km范围内,如图1所示。本文通过对上述几座大桥震害现场的考察,初步分析了大桥的震害特征和机理,以期为提高地震高烈度地区近断层桥梁抗震设计提供参考。1主桥桥墩与引桥破坏庙子坪大桥(图2)位于都江堰-汶川高速公路横跨紫坪铺水库段,主桥为预应力连续刚构桥,引桥为连续梁桥,全桥长1436m。主桥部分跨度组合为125m+220m+125m,主墩高达102.47m,其中水下深度80m,采用钻孔灌注桩群桩基础,深60m;主桥桥墩采用薄壁空心墩;引桥共5联:2×50+5×50+4×50+4×50+4×50,采用连续梁桥,截面为组合“T”型梁,全桥共设7道伸缩缝。大桥距离震中直线距离约为13km(断层距也是约为13km),震前主体结构基本完工。由于距离震中和断层很近,地震动强度大、持续时间长,超出桥梁抗震设防水平,造成引桥一跨落梁、主桥与引桥结合部处伸缩缝破坏、桥面附属构件破坏等。从结构自身看,由于主桥和引桥属于不同结构形式,桥墩高度差异明显,主、引桥的自振特征存在明显差异,地震发生时,全桥纵向地震反应剧烈,主桥与引桥在结合部(6号墩顶伸缩缝)产生碰撞,造成伸缩缝破坏和护栏破坏;挡块横向约束失效,产生较大残余位移(图4和图5);纵向强烈的地震反应还引发第11号墩上部伸缩缝产生较大变位,致使支座和约束挡块失效落梁(图3和图4)。2墩柱破坏与结构破坏机理百花大桥长约500m,高度约30.5m,是国道213线紫坪铺库区淹没段改造工程,距映秀镇约2km,于2004年12月建成通车。百花大桥是一座高架曲线桥,边跨曲线桥段呈90°弧形,上部结构为连续曲线梁,下部结构为双柱式桥墩;盆式橡胶支座。百花大桥是距离震中最近的一座大型高架桥。地震时,边跨曲线桥段垮塌、折断(图6),桥墩折断多处,钢筋将混凝土剥落(图7—图9);其余残桥整体向岷江江心倾斜(图10),多数墩柱礅底屈服或剪切破坏(图12、13),柱间系梁节点破坏严重(图11),顶部支座失效产生过大水平移位(图11);墩柱底与周围软土产生较大残余变形;同时,桥边山体发生滑坡、大块坠石撞击桥墩多见;地表产生大的裂缝(最大宽度30cm左右,图14)通过落梁桥段。由于百花大桥距离震中很近以及断层从桥下通过,墩高差异导致弯桥段受地震惯性力作用复杂,弯扭耦合效应明显;过大的惯性力导致支座约束失效,梁-柱产生较大的相对滑移,导致桥墩底或中间系梁结合部屈服破坏,最终导致支撑不足发生落梁,质量巨大的梁体对高柔的桥墩产生巨大的冲击作用,砸坏桥墩,导致桥墩多处折断。从折断桥墩的配筋情况看,该桥桥墩主筋采用的是Φ25的二级钢筋,间距超过15cm,箍筋采用的是Φ8的一级钢筋,箍筋加密区间距超过10cm,桥墩延性相对不足。除了地震作用过大的因素外,局部场地也是其中一个因素。该桥桥台基础为较好的山坡基岩,而中间桥跨基本位于江中冲击形成的软土区,由于地表破裂及残余变位导致江中各墩与地基产生较大残余位移,桥体(残余部分)整体向江心倾斜明显。从结构本身来看,防落梁构造措施偏于薄弱,落梁段未见柱顶设置盖梁和挡块,导致上部结构变位完全由支座承担,支座约束变位能力不足,从而造成整体落梁。墩柱弯曲破坏与剪切破坏多见。此外,由于附近山体滑坡、坠石对正在振动的结构的冲撞作用或许也是加剧结构整体破坏的一个次要因素。由此可见,该桥的破坏存在多方面原因,但主要原因还是断层通过、曲线桥段不利的弯、扭耦合受力机制以及防落梁措施相对不足等。3结构损伤现状小渔洞大桥位于彭州市小渔洞镇,是连接成都-银厂沟旅游区的唯一通道。该桥为4跨钢筋混凝土刚架拱桥,该桥总长187m。地震时,有一断层在该桥路基侧通过,并引起路基严重破裂(图15)。该桥在河右岸的两跨桥梁完全垮塌(图16、17),桥墩倾斜角度约20°左右(图18);河左岸边跨刚架与主拱架跟部剪断,边跨坍塌被下部卵石砌筑河岸支撑,导致结构未完全坍塌(图19);残余拱因墩台纵向变位而产生竖向弯曲(图20)。桥台撞击痕迹明显,胸墙开裂严重,胸墙后路基错动、塌落严重,刚性路面板严重破裂、隆起;制动墩水平裂缝明显。由于地震时附近有断层通过,纵向地震作用大,桥台后路基、地基失效后,纵向残余变位明显,造成拱肋承受弯曲-剪切作用过大,发生脆性破坏。4跨钢筋混凝土综合结构桥结构石蓑衣大桥位于北川县城,一端连接县城,另一端通向龙尾隧道。该桥为一(11×10)m跨钢筋混凝土简支梁桥,宽7.5m,桥墩为双柱式桥墩。该桥隧道侧第三、第四跨桥墩横向倾斜、断裂;由于地震作用强烈,盖梁档块横向约束失效,上部结构整体横向残余位移严重,错位约为1m,部分桥面落梁(图21)。5缩缝破坏表现该桥位于四川绵竹市,为城市立交桥,由主桥和环形匝道桥组成。主梁为预应力混凝土箱梁,桥墩采用独柱墩。主桥的破坏主要表现为:伸缩缝破坏,主梁间及主梁与桥台间碰撞、挤压、错动明显;支座破坏,镙栓剪断,支座残余变形严重;主墩水平裂缝;主梁横向错位,最大可达10cm(图22)。环形匝桥的破坏主要表现为:整体错位严重,与桥台纵向错动超过15cm,与主桥横向错动超过10cm;支座破坏;固定墩严重破坏,主要表现为矮墩剪切破坏;简支墩基本完好,但上部支座螺栓剪断或拔出,橡胶垫水平残余变形明显(图23)。6跨桥梁方面通过上述几座桥梁震害现场的实地考察与分析,可得出如下初步结论:(1)地震动强度超出桥梁原设防水平及近断层地震动特性影响导致上述几座桥梁严重毁坏。本次地震震级大(8.0级)、震源浅(10—20km)、地震动峰值加速度大、强震持续时间过长。这几座桥梁所在区的地震烈度分布为Ⅸ度—Ⅺ度,大大超出了原抗震设计设防水平(基本设防烈度Ⅶ度)。近断层地震动的方向特征、断层错动、长周期速度脉冲效应(李小军,2001;刘启方等,2006)使结构产生较大位移和变形。此外,在靠近震中或断层位置,竖向地震动加速度相对较大,对大跨度桥梁产生不利影响。(2)对于简支梁桥或桥面简易连续梁桥,梁间撞击破坏和落梁是常见的震害现象。落梁包括顺桥向落梁和横桥向落梁:顺桥向落梁主要由上部结构位移过大、邻梁撞击、支座档块约束失效引起;横桥向落梁主要由挡块约束失效、梁格间整体性能差引起。设置有效的防落梁装置和防撞、减撞装置,并增大挡块顺桥向和横桥向的约束强度和梁-墩搭接长度是防止落梁发生的必要措施(周国良等,2006)。对于桥面简易连续梁桥,增大相邻梁的连接刚度可避免落梁或减小落梁的可能性。(3)高烈度区近断层处曲线桥受力复杂,地震作用下弯、扭耦合效应明显。支座因受拉产生破坏的可能性加大,采用抗弯扭效应较好的上部主梁结构形式并设置有效的防落梁装置,可减轻曲线桥梁震害。(4)桥墩的延性不足导致破坏仍是普遍的现象。高烈度区桥梁,应增强关键受力桥墩墩底、连梁连接部位、墩顶等关键部位的箍筋强度、密度,提高桥墩延性性能,防止脆性破坏。(5)震区地形复杂多变,河谷、群山交错分布,场地土分布复杂,场地效应尤其是场地地形效应明显,桥墩各场点处地震动激励并不一致