汶川地震对几座桥梁震害分析

汶川地震对几座桥梁震害分析

2008年5月12日下午14点左右，四川四川发生了8.0级强震。在这次地震中,交通生命线的严重破坏也给抗震救灾带来相当的难度。中国交通网在2008年6月20公布的数据显示:在汶川地震中,全国共有24条高速公路、161条国省干线、8618条农村公路损毁,总里程53289km。其中6140座桥梁、156条隧道受损。在众多的受损桥梁中,靠近断层附近的几座桥梁破坏尤为严重。例如高原大桥、百花大桥、庙子坪大桥以及小鱼洞大桥等,它们均处于断层10km范围之内,详见表1。笔者针对上述几座大桥的震害,并结合断层的场地特征,初步探讨、分析断层附近大桥的破坏机理。以便为以后高烈度地区桥梁的抗震设计提供一些思考。1川、川、果类公路断裂筑坝区汶川地震中龙门山断裂带由3条逆冲断裂组成,分别是安县—灌县断裂带、映秀—北川断裂带和汶川—茂县断裂带,如图1。整个地震带地表破裂全长约275km,宽约15km,整体走向北东40°～70°。这几大破裂带造成地表断裂、山体垮塌、砂土液化等灾害。地表断层造成地表错动、鼓起,路面或者河床被抬高。例如在震中映秀镇,岷江边上的一公路路基被抬高近3m,北川擂鼓镇的一河床被抬高约2.6m。在都江堰虹口乡八角庙地区,地表竖向错动达4.3m,而在虹口乡深溪沟,地表水平右旋错位高达5m。山体大量滑坡将沿线峡谷的河道堵塞,形成十多个堰塞湖,如北川唐家山堰塞湖、青川石板沟堰塞湖等。GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定,将考虑发震断裂错动对地面建筑的影响。对于丙类建筑,当抗震设防烈度为8°时,建筑物应避开主断裂带200m;当抗震设防类别为9°时,建筑物应避开主断裂带300m。然而中国地震局震害防御司在汶川地震后编制的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动参数区划图》与《中国地震动参数区划图》相比,低档峰值加速度分区内的城镇数目减少,而位于高峰值加速度分区内的城镇数目增加较多。这说明汶川地震前,这些地区的抗震设防烈度相对偏低。汶川地震烈度高,其远大于建筑、桥梁自身的抗震设防烈度,这是桥梁损害严重的重要原因之一。在这次地震中,几座大型桥梁都在断层附近,如高原大桥和小鱼洞大桥距离断层都在几十米之内,因此几乎都遭受严重破坏。2附近桥梁的地震风险分析2.1地表加速度特征在地震过程中,在不同的震中距或者不同的地质条件下,地震作用对建筑物的破坏影响程度是很不相同的。因为地震波在传播过程中,随着传输距离和地质分布的改变而不断改变。很显然,近场的地震动特征与远场是不同的。因此,分析研究近场地震动特征对近场结构物的抗震有着十分重要的意义。岩层或者土层在高应力作用下突然发生断裂、破碎,随之产生强大的冲击波。这种冲击波幅值大、能量高,沿着垂直于断层方向传播较为明显。近断层地表产生强烈的长周期脉冲型运动,甚至造成永久性位移。基本地震加速度是衡量场地在地震作用下的一个重要参数。由于地震波在断层附近传播时能量几乎没有任何衰减,因此断层附近地表则产生较大的水平、竖向峰值加速度。在以往地震中,1994年美国Northridge地震、1999年台湾集集地震以及2001年我国的施甸地震所收集的数据表明,在接近震中或者断层附近产生较强的竖向地震作用,有些竖向加速度超过了水平加速度。表2列出了离百花大桥、小鱼洞大桥、高原大桥较近的一些地震台网所测得的地表加速度资料2.2庙子坪大桥在汶川地震中,落梁是断层附近桥梁上部结构最严重的震害。落梁主要是上部结构位移过大、邻梁之间产生撞击、支座档块约束失效所致。由于土层性质的影响,地震波在各层土中有滤波和放大作用,因此不同土层的地震动会不相同。桥梁是多支点的长线形结构,桥墩基础之间距大,导致同一桥梁可能有不同的地震输入,即有地震的行波效应产生。桥梁的长度越长,行波效应越显著,桥墩间的差动位移就越大,而且在桥梁纵向更加明显。位移不同就意味着梁与梁水平方向位移不协调,从而使它们产生相互碰撞。当梁在纵向上的位移超过了梁端的搭接长度时,就产生落梁震害。如图2,都汶高速中的庙子坪大桥。该桥横跨紫平铺水库,全长1440m。部分桥墩处于水库中,部分桥墩处于岸边土坡上,桥墩基础处于地质条件不同的土层。因此该桥在地震时遭受多点不同的地震波激励,桥墩的动力反应相差较大,主梁产生明显的纵横向位移。连续刚构侧第五孔50m长T梁纵向位移高达50cm,产生落梁震害。近断层的地震动往往是高能量、长周期的脉冲型运动。这些脉冲运动周期接近于甚至大于桥梁结构的自振周期,使结构遭受较大冲击力和位移变形。这必然会增加对结构的非弹性变形要求,结构往往会在瞬间的巨大位移变形下进入非线性阶段。特别地,当断层处强烈的地表错动造成永久性位移时,必然会使桥梁上部结构遭受严重破坏。如图3,地处都江堰虹口乡的高原大桥,距离断层仅30m左右,桥纵向与断层方向夹角较大。断层处产生的冲击波沿垂直断层方向传播明显。因此,该断层造成了高原大桥在纵向产生强烈的上部位移。由于主梁整体从虹口侧向高原侧纵向移动,导致1#～2#跨主梁虹口端纵桥向位移过大,超过了搭接长度而脱离盖梁,如图3(b)。此外,2#～3#跨主梁存在落梁危险,该跨主梁在3#墩盖梁的搭接长度很小,几乎与盖梁外缘平齐,如图3(c)。在JTJ004—89《公路工程抗震设计规范》中,对于位于基本烈度为9°区的大跨径、悬臂梁桥,还应考虑上下两个方向竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。通常情况下,按照水平地震动的某一比例来考虑竖向地震动对结构反应的影响,公认的结果是竖向加速度约为水平向的1/2～1/3。然而断层附近的地表竖向峰值加速度几乎等于甚至大于水平峰值加速度,那么实际的竖向地震作用远大于桥梁本身的抗震设防要求。断层附近地表较大的水平峰值加速度使桥墩进入非线性工作状态,同时较大的竖向地震作用使桥墩产生明显的P-Δ效应,桥墩顶部容易出现较大的侧向位移,甚至产生永久性位移。百花大桥、庙子坪大桥、高原大桥的落梁震害无不与这一原因相关。2.3桥桥的几何线形布置抗震概念设计是桥梁设计的重要步骤。与建筑结构类似,抗震结构体系和延性对于桥梁而言同样十分重要。在桥梁的几何线形布置时,尽量将桥布置成直线桥。弯桥和曲线桥的地震反应十分复杂。此外,沿桥轴向的桥墩高低不平、刚度变化较大,造成地震力分配不均,刚度大的桥墩先破坏。在延性设计方面,墩柱的抗剪强度应不小于弯曲强度,以防止脆性破坏。在墩柱设置塑性铰,具有延性耗能作用。此次地震中桥墩主要的破坏是裂缝和倾斜。2.3.1横向地震作用地处震中映秀附近的百花大桥,上部结构为钢筋混凝土连续曲线板梁桥,最小曲线半径约为200m,桥宽8.5m。曲线段桥梁在地震中完全垮塌,如图4(a)。由于该桥地处震中且有断层从桥下通过,竖向地震作用十分明显。曲线段的上部结构的重心偏离桥墩,在下部桥墩内产生较大的附加弯矩作用,对抗震十分不利。由于曲线桥本身的动力特性较为复杂,受双向地震作用较为明显。该桥多处出现板梁与墩严重横向错位,甚至有一桥墩完全脱离。如图4(b),在横向地震作用下墩与梁板之间出现了明显较大的横向错动。该桥处于岷江峡谷,地理条件使桥墩高低不一。如图4(c),位于公路与弯曲桥段之间的斜坡上的桥墩,高度比其他矮,线刚度较大。这类似于建筑上的短柱而承担了较大的地震作用,遭受严重破坏。该破坏是由于墩底弯曲延性不足,混凝土保护层有粉碎性破坏。百花大桥在直线段的桥墩高度较大,所以在双墩一定高度设置系梁,从而提高双墩的协调工作的能力。在现场调查中发现,多处桥墩的系梁梁端出现裂缝、混凝土脱落、钢筋弯曲等破坏。这类似于建筑结构的梁端出现“塑性铰”,消耗地震能量,起到了保护桥墩的重要作用,如图4(d)。此外,如2.2节中所述,高原大桥有一跨主梁产生落梁。该落梁撞击下部桥墩过程中,施加一个较大的冲击荷载,导致桥墩上产生了数条水平裂缝。2.3.2断层作用的影响在桥梁设计中,桥位选择是一个重要的环节。选择有利的地段是提高桥梁抗震效果的重要措施。避免或减轻地震作用下因地基变形或地基失效造成桥梁结构破坏。由于断层处的地表运动强烈,高能地震波在一定程度上会改变土层的特性。土层承载力下降和土层错动等都会影响上部桥墩。在汶川地震中,处于断层附近的百花大桥、高原大桥、小鱼洞大桥的都在地震中发生了严重倾斜。百花大桥桥台基础为较好的山坡基岩,而中间直线段桥梁基本位于江边冲击而成的软土区。这两类土质的特性相差很大,受地震作用影响程度各不相同。由于地表破裂和残余变形导致江中各个桥墩与地基产生较大残余位移,桥墩整体向岷江江心倾斜。四川大学水电学院的岩土工程科研人员在调查中发现,都江堰高原大桥两侧的桥台之间的距离比震前要小,缩小的距离高达1.8m。这说明该桥下的土层在断层作用下发生了巨大变形。在墩下地基土层的变形以及上部主梁冲撞的综合作用下,高原大桥的桥墩发生了明显的纵向倾斜,如图5(a)。彭州市小鱼洞镇的小鱼洞大桥,处于主断裂带旁边。在断层、砂土液化等综合因素影响下,该处地表土层塌陷1.2m。该桥的桥墩在地震中也发生了严重倾斜,如图5(b)。2.4桥台土压力较大,3在历次地震中,桥台都有不同程度的破坏。在汶川地震中,桥台的几种主要破坏类型是:台身开裂、塌陷,侧墙开裂、外移,护坡损坏等。由于地震加速度,作用在桥台上的纵向土压力增大,桥梁与桥台之间冲撞会产生相当高的被动土压力,增加桥面以下处的横向土压力及上部结构之间的冲撞。那么不够紧密的天然土或填土有向桥梁方向塌陷的趋势,土壤的运动推动着桥台下部向内运动,导致桥台下部的土产生剪切错动破坏。对于地处断层附近的高原大桥,断层处的地震波沿着垂直于断层方向传播较为明显(桥梁纵向),两侧桥台纵向土压力较大。此外由于两桥台距离缩小和主梁纵向运动冲撞桥台,胸墙横向严重开裂,如图6(a)。桥台顶部同上部结构之间的接触限制桥台顶部的位移,由上部结构的冲击造成桥台搭板损坏隆起,如图6(b)。此外,地处断层附近的彭州小鱼洞大桥,遭受过大纵向地震作用,桥台撞击痕迹明显,侧墙开裂严重,如图6(c)。胸墙后路基错动、塌落,刚性路面板严重破坏隆起。2.5挡块和支柱破坏在地震过程中,桥梁结构受双向地震作用。越是靠近震中或者断层,地震对桥梁的横向地震作用越是明显。对于简支梁桥,在桥墩盖梁处设置伸缩缝,此处是桥梁在纵向上刚度突变的薄弱环节。因此在横向地震往复作用下,伸缩缝处设置的挡块容易遭受主梁的撞击而发生剪切破坏。如图7和图8,都汶高速上的庙子坪大桥在地震中伸缩缝处发生了明显横向错动,挡块也因T梁撞击而严重破坏。支座是连接桥梁上部结构和桥墩的构件,它也是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节。它的布置应该有利于墩台纵向水平力的传递和梁体的自由变形,并对结构起抗震防线重要作用。实际工程中用得较多的是柔性橡胶支座。这类支座可以对桥梁起一定的隔震作用。但是在地震作用下,由于连接及支挡等构造措施不足,主梁的往复纵向运动使支座也发生位移,这增加了主梁的位移响应,易造成主梁相互撞击甚至落梁。在汶川地震中,北川龙王滩大桥、都江堰高原大桥和庙子坪大桥的支座都发生严重破坏。然而,高原大桥和庙子坪大桥的落梁与支座的损坏不无关系。3抗侧力及结构体系通过对汶川地震近场附近几座桥梁的震害分析,可以得出以下结论和建议:1)做好桥址的选择和调查工作,这对桥梁抗震十分重要。选择桥址时应尽量避免发震、断裂地段。除了考虑区域性地震烈度外,还应考虑局部地形地貌对桥梁震害的影响。地质条件差异显著会增加上部结构在地震时落梁的可能性。2)选择合理的抗震结构体系。由于弯桥、曲线桥动力特性复杂,双向地震作用明显。在对桥梁进行几何线