梁式橋震害及其影響因素分析*

王再榮，郭恩棟，趙釗，孟于飛

(中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150080)

國內(nèi)外很多從事橋梁抗震的工作者對橋梁震害模式及破壞機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，并且每次大地震發(fā)生之后橋梁震害資料都會更加豐富，為深入研究橋梁結(jié)構(gòu)震害機(jī)理及抗震措施等奠定了基礎(chǔ)。如2008年5月12日四川汶川發(fā)生的8級大地震，極震區(qū)烈度高達(dá)Ⅺ度，地震造成24條高速公路、161條國省干線、8 618條鄉(xiāng)村公路、6 140座橋梁、156條隧道受損，這次地震同樣為橋梁抗震研究留下了寶貴的震害資料。

本文對國內(nèi)外幾次大地震中的梁式橋震害現(xiàn)象進(jìn)行了研究，結(jié)合汶川8.0級大地震中梁式橋的震害，從震害特點(diǎn)和影響因素兩方面進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 梁式橋震害特點(diǎn)

本文收集了海城7.3級地震(1975年)、唐山7.8級大地震(1976年)、洛馬·普里埃塔7.1級地震(1989年)、美國北嶺6.6級地震(Northridge Earthquake)(1994年)、云南麗江7.0級地震(1996年)、土耳其伊茲米特7.8級地震(1999年)、我國臺灣集集7.3級大地震(1999年)、汶川8.0級大地震(2008年)等地震中的梁式橋震害資料，共包含112座梁式橋梁的震害［1－7］，并進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)(表1)。由表1可知，梁式橋梁可能出現(xiàn)的8類震害，在震害調(diào)查中均有發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)前4類震害的橋梁占多數(shù)，顯然，這4類震害是最為常見的震害。

表1 梁式橋震害分類

1.1 支座破壞

在調(diào)查的112座橋梁中有53座橋梁約占65.2%發(fā)生了支座破壞，綜合國內(nèi)外幾次大地震的調(diào)查結(jié)果，在中、美、日等國的多個地震中，支座的破壞現(xiàn)象均較為普遍。

支座的震害表現(xiàn)為支座傾斜、剪斷、錨固螺栓拔出、活動支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等。支座破壞的同時也伴隨著支座下墊石板破碎［8］。

落梁震害與支承破壞密切相關(guān)，因振動導(dǎo)致的落梁多因支承破壞所致。當(dāng)支座破壞后，墩－梁間的位移失去控制，當(dāng)墩梁間的相對位移大于主梁擱置長度后，主梁將從橋墩脫落從而導(dǎo)致落梁。統(tǒng)計(jì)的53座支座破壞橋梁中，有26座落梁。另外統(tǒng)計(jì)的53座支座破壞橋梁中，有29座橋梁的橋墩沒有破壞，說明對于下部結(jié)構(gòu)而言，支座破壞可以避免上部結(jié)構(gòu)的地震荷載傳到橋墩，從而起到保護(hù)橋墩的作用。

1.2 墩臺損壞

橋墩是橋梁結(jié)構(gòu)中最重要的承重構(gòu)件，在地震中，橋墩一旦破壞將會導(dǎo)致橋梁不能再使用甚至落梁或整體倒塌，本文調(diào)查的26座落梁的橋梁中有16座墩臺破壞，表明墩臺破壞是落梁的主要原因。由表1可知，調(diào)查的112座橋梁震害中就有51座橋墩破壞和48座橋臺破壞，分別占總體的46.4%和42.9%，表明在地震中墩臺破壞現(xiàn)象比較普遍。

墩臺的震害形式有發(fā)生嚴(yán)重傾斜移位、墩臺沉降、墩身破壞。較高的柔性墩柱大多是彎曲破壞，在地震中，此類破壞不是太多，主要發(fā)生在墩柱頂部和底部。汶川地震中百花大橋橋墩抗彎能力不足而導(dǎo)致墩底保護(hù)混凝土的剝落損壞(圖1)。較矮的墩中較為普遍出現(xiàn)剪切或彎剪破壞，橋墩的抗剪強(qiáng)度不足，是出現(xiàn)這類震害的根本原因。在地震中此類破壞較多，可能發(fā)生在帽梁與墩柱連接處、墩柱中部或墩柱與承臺的連接處。汶川地震中回瀾立交橋匝道橋墩破壞方向沿切向較為明顯，遭受嚴(yán)重破壞的橋墩大多為短柱，發(fā)生剪切破壞(圖2，圖3)［10］。

圖1 汶川地震中綿竹市回瀾立交橋曲率最大處橋墩破壞

圖2 汶川地震中回瀾立交橋C匝道橋2號墩彎剪破壞

圖3 我國臺灣集集大地震中烏溪橋的橋墩被剪斷

在城市高架橋中常使用框架墩，框架墩的震害也經(jīng)常見到。震害主要表現(xiàn)為:蓋梁的破壞，墩柱的破壞以及節(jié)點(diǎn)的破壞。蓋梁的破壞形式:當(dāng)?shù)卣鹆椭亓ΟB加時，剪切強(qiáng)度不足引起的剪切破壞;蓋梁負(fù)彎矩鋼筋的過早截?cái)嘁鸬膹澢茐?以及蓋梁鋼筋的錨固長度不夠引起的破壞。節(jié)點(diǎn)的破壞主要是剪切破壞(圖4)。

圖4 汶川地震百花大橋橋墩與系梁節(jié)點(diǎn)剪切破壞

1.3 梁體移位

上部結(jié)構(gòu)的移位震害比較常見，縱向移位、橫向移位以及扭轉(zhuǎn)移位，在伸縮縫處比較容易發(fā)生移位震害。地震發(fā)生時，橋梁的梁體移位是避免不了的，如果不是太大的移位，震后通過換掉破壞的支座，把梁體恢復(fù)原位，橋梁還可以繼續(xù)使用。但是過大的移位會導(dǎo)致落梁，這是不允許的，所以必須采取抗震措施減小梁體位移。汶川地震有些橋梁上部結(jié)構(gòu)雖然沒有落梁，但發(fā)生了比較大的移位，導(dǎo)致無法通行。

臺灣集集大地震中東豐(Tong－feng)橋產(chǎn)生了10～20 cm的大的豎向位移并且在橫向偏離30～50 cm。PCI梁因大的橫向移動脫離支座。汶川地震中百花大橋主梁均發(fā)生橫、縱向移位及碰撞(圖5)。

1.4 地基與基礎(chǔ)破壞

圖5 汶川地震中百花大橋梁體橫向移位

有實(shí)際震害資料證明，大多數(shù)發(fā)生落梁等災(zāi)難性破壞的橋梁都出現(xiàn)地基基礎(chǔ)破壞現(xiàn)象，地基與基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的重要原因。在本文調(diào)查的橋梁震害中有20座嚴(yán)重破壞或毀壞的橋梁發(fā)生了地基基礎(chǔ)震害，26座落梁破壞的橋梁中有11座發(fā)生了地基基礎(chǔ)破壞。基礎(chǔ)的破壞與地基的破壞緊密相關(guān)，幾乎所有地基的破壞都會引起基礎(chǔ)的破壞，主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

基礎(chǔ)破壞的原因有:擴(kuò)大基礎(chǔ)的震害一般由砂土液化或地基失效的不均勻沉降和由土承載力和穩(wěn)定性不夠，地面產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致地層發(fā)生水平滑移、下沉、斷裂而引起的;常用樁基礎(chǔ)除了上面的原因外，還有上部結(jié)構(gòu)傳下來的慣性力所引起的樁基剪切、彎曲破壞，更有樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)所引起的震害。1989年洛馬·普里埃塔地震中Struve Slough橋的樁柱穿透橋面(圖6)。汶川地震中龍尾大橋第7跨橋墩傾斜接近倒塌(近端第2跨橋墩墩底可見噴砂液化現(xiàn)象)(圖7)。

圖6 洛馬·普里埃塔地震中Struve－Slough橋的樁柱穿透橋面

圖7 汶川地震中龍尾大橋橋墩傾斜

1.5 其他破壞

在地震中，除了上面提到的主要部位的震害外，還有一些非結(jié)構(gòu)部位，包括構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)破壞、伸縮縫的破壞、扶手護(hù)欄破壞、擋塊損壞以及引橋的破壞等，這些部位雖然不能引起橋梁垮塌癱瘓，但是它們的破壞也會大大加重橋梁的震害，因此在橋梁抗震設(shè)計(jì)和橋梁施工中應(yīng)給予重視和恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

在近20年內(nèi)發(fā)生的大地震中，發(fā)現(xiàn)很多城市高架橋和立交橋破壞是由于碰撞反應(yīng)引起的。碰撞還可以發(fā)生在多層立交橋高度不同的相鄰結(jié)構(gòu)之間，即標(biāo)高較低的上部結(jié)構(gòu)與相鄰較高結(jié)構(gòu)的橋墩發(fā)生碰撞。圖8和圖9分別為汶川大地震中橋面伸縮縫和擋塊的破壞。

圖8 汶川地震中綿遠(yuǎn)河大橋橋頭橋面處伸縮縫受損

圖9 汶川地震中廟子坪大橋擋塊破壞和緩沖墊脫落

2 梁式橋震害影響因素

2.1 地震烈度的影響

對112座梁式橋梁的震害資料依據(jù)烈度的不同進(jìn)行了分析(表2)。表2中數(shù)值表示:某烈度區(qū)某一震害類型的橋梁破壞座數(shù)/某烈度區(qū)橋梁總數(shù)。

表2 不同烈度的橋梁震害對比分析

從表2的分析結(jié)果來看，就某一烈度區(qū)的橋梁震害形式仍然以支座破壞、墩臺損壞、梁體移位和地基及基礎(chǔ)破壞為主，在高烈度區(qū)，落梁破壞也比較嚴(yán)重。就某一種震害類型分析，隨著烈度的增高，橋梁的破壞程度增大，尤其是落梁破壞表現(xiàn)比較明顯。在X以上的高烈度區(qū)，各種震害類型的橋梁破壞都很嚴(yán)重。

2.2 建設(shè)年代的影響

對1976年7.8級唐山大地震中的40座橋梁震害與2008年的8.0級汶川大地震中的33座橋梁震害做了比較(表3)。雖然汶川地震的震級比唐山大地震的震級大，但是從表3來看，唐山大地震中的各類震害都比汶川大地震嚴(yán)重。由此可見，有無抗震設(shè)計(jì)對橋梁的破壞至關(guān)重要。橋梁抗震設(shè)計(jì)也是最近幾十年才提出來的，在橋梁抗震設(shè)計(jì)未提出之前建造的橋梁抗震性比較差，所以震害比較嚴(yán)重，隨著橋梁抗震理論的發(fā)展，橋梁的抗震性能也越來越好，相比早些年代建造的橋梁在強(qiáng)震作用下，震害較輕［9］。

表3 唐山大地震和汶川大地震橋梁震害對比分析震害類型

以支座破壞為例說明建造年代對橋梁震害的影響，在1960年代以前，幾乎全部橋梁都是鋼支座、混凝土擺式支座、簡易的瀝青油氈支座;其中鋼支座占絕大多數(shù)。1964年板式橡膠支座誕生以來，1970年代相繼研制成了四氟板式橡膠支座、盆式橡膠支座，到目前我國幾乎100%的支座都是使用板式橡膠支座、盆式橡膠支座和球型橡膠支座。結(jié)合支座的發(fā)展史來分析，不難理解震害變輕的原因，這表明采用橡膠支座比之前的鋼支座、混凝土擺式支座、簡易的瀝青油氈支座更為適宜(近年來的理論研究也表明橡膠支座比鋼支座、混凝土擺式支座、簡易的瀝青油氈支座抗震性能好)。因此，在地震區(qū)橋梁能使用隔震減震橡膠支座為最好。

2.3 結(jié)構(gòu)體系的影響

(1)簡支梁橋和連續(xù)梁橋?qū)Ρ确治?/p>

橋梁震害統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，縱向落梁占落梁震害的絕大多數(shù)，約占97%，而橫向落梁和扭轉(zhuǎn)滑移落梁則很少見。簡支梁橋的梁體與橋墩的連接方式一般是一端是固定支座，一端為滑動支座，在地震作用下，兩端橋墩不同的縱向位移容易導(dǎo)致縱向落梁。而連續(xù)梁橋由于在縱向的整體連續(xù)性比較好，不會發(fā)生縱向落梁現(xiàn)象，但是連續(xù)梁橋會因?yàn)闃蚨掌茐亩l(fā)生整體橫向倒塌。1995年日本阪神7.2級地震中神戶高速3號線皮爾茨橋梁由于獨(dú)柱式懸臂橋墩的破壞引起整體在橫向倒塌破壞和2008年汶川地震中百花大橋第5聯(lián)的整體垮塌就是兩個連續(xù)梁破壞例子。

連續(xù)梁橋與簡支梁橋相比更容易發(fā)生橋墩傾斜震害，連續(xù)梁橋由于固定支座的設(shè)置，使得橋墩在地震作用下承受的地震荷載差異大，從而橋墩破壞的嚴(yán)重程度差異也大，連續(xù)梁的扭轉(zhuǎn)作用也給設(shè)置固定支座的橋墩帶來了很大的破壞。連續(xù)梁橋和簡支梁橋的橋墩形式不同是主要原因，簡支梁的橋墩一般都是帶蓋梁的雙柱門式橋墩，橫向剛度較大，不容易發(fā)生橫向傾斜。連續(xù)梁橋大多數(shù)采用單柱式或雙柱式(無蓋梁)，橫向整體剛度較小。汶川地震橋梁震害調(diào)查表明，雙柱式橋墩比獨(dú)柱式橋墩的抗震性能好。

(2)斜橋和曲線梁橋

城市立交橋和高架橋?yàn)榱诉m應(yīng)地形，使用了很多曲線梁橋，有時也會使用斜交橋，所以在此特別討論這兩種橋型。

在地震中，斜交橋上部橋跨在地震作用下會比正交橋發(fā)生更大的位移，而且存在在減小傾斜程度方向的轉(zhuǎn)動趨勢，在沒有足夠的支座支承寬度的情況下，斜交橋跨在銳角處容易因失去支承而脫落。斜交橋和它的橋臺(或其相鄰橋跨)之間的碰撞，能引起橋梁繞一個豎向軸轉(zhuǎn)動形成扭轉(zhuǎn)位移。

曲線橋梁本身動力特性較為復(fù)雜，受雙向地震力作用明顯，上部結(jié)構(gòu)的重心偏離橋墩，附加彎矩作用明顯，特別是在豎向地震和雙向水平地震聯(lián)合作用下，曲線橋梁的反應(yīng)不對稱，容易出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和外側(cè)移變形。汶川地震中百花大橋曲線段部分整體倒塌情況(圖10)，說明該段橋梁彎一扭地震反應(yīng)效應(yīng)比較顯著，這可能是導(dǎo)致震害的主要原因。汶川地震中綿竹市回瀾立交架匝道橋橋墩破壞嚴(yán)重［10］。

圖10 汶川地震中百花大橋曲線橋段塌落

2.4 地震次生地質(zhì)災(zāi)害的影響

汶川地震極重災(zāi)區(qū)橋梁震害有一個重要特點(diǎn)就是次生地質(zhì)災(zāi)害對橋梁的破壞很大，這也是汶川地震橋梁震害有別于其他幾次大地震中橋梁震害的一個突出特點(diǎn)。次生地質(zhì)災(zāi)害對橋梁破壞是毀滅性的，成都－汶川高速公路上的幾座橋梁，如K26+773順河大橋、徹底關(guān)大橋、映秀岷江大橋等，受山體崩塌而砸塌。

3 結(jié)語

通過對梁式橋震害的總結(jié)研究，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識。

(1)在地震中，梁式橋支座破壞、墩臺破壞、地基(基礎(chǔ))破壞及梁體移位是最為常見的震害，這4類震害極易導(dǎo)致落梁甚至全橋倒塌的慘劇，因此應(yīng)在抗震設(shè)計(jì)中重點(diǎn)防范。

(2)隨著烈度的增高，橋梁的破壞程度增大，尤其在X以上的高烈度區(qū)，各種震害類型的橋梁破壞都很嚴(yán)重。

(3)橋梁的建造年代對橋梁的震害有很大的影響，隨著橋梁抗震理論的發(fā)展，橋梁的抗震性能也越來越好，近20年設(shè)計(jì)建造的橋梁相比早些年代建造的在強(qiáng)震作用下，震害較輕，再一次說明進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)、施工的必要性。

(4)梁式橋有簡支梁橋和連續(xù)梁橋之分，不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系，橋梁震害特點(diǎn)有明顯差異。

(5)特定環(huán)境導(dǎo)致的次生地質(zhì)災(zāi)害對橋梁破壞影響很大，這點(diǎn)在汶川大地震中表現(xiàn)尤為突出，應(yīng)該給予關(guān)注。

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