廣東省樣本橋梁地震易損性對(duì)比研究

杜 鵬，姜 慧，王立新

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣東 廣州 510070）

廣東省樣本橋梁地震易損性對(duì)比研究

杜 鵬1，2，3，姜 慧1，2，3，王立新1，2，3

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣東 廣州 510070）

廣東省橋梁數(shù)量多，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)，抗震能力差別較大。為了初步了解廣東省橋梁的抗震水平，本文運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)三次判別預(yù)測(cè)方法，對(duì)所收集的廣東省橋梁樣本集做群體易損性分析研究，分別得出總體和按不同上部結(jié)構(gòu)類型分類的數(shù)據(jù)、圖形分析結(jié)果，并將該結(jié)果與四川汶川地震后現(xiàn)場(chǎng)橋梁調(diào)研情況和各代表性橋梁樣本集地震易損性分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)論。

廣東橋梁；地震；易損性分析；對(duì)比研究

0 引言

廣東省位于中國(guó)東南沿海地區(qū)，河網(wǎng)交匯，入?？诙啵捣植贾苯佑绊懙綐蛄旱倪x址、建設(shè)規(guī)模和密集程度。然而，省內(nèi)約60%的陸地面積位于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)，25%位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，擔(dān)桿列島、粵東潮汕地區(qū)、雷州半島徐聞縣南部地區(qū)位于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)，近百年來(lái)，這些高烈度區(qū)域已發(fā)生過(guò)10次6級(jí)以上地震。

震害經(jīng)驗(yàn)表明，地震作用下，不同橋型對(duì)不同方向慣性力的敏感程度不同，如簡(jiǎn)支梁橋，因其順橋向剛度、搭接長(zhǎng)度均小于橫橋向，易造成順橋向落梁。地震易導(dǎo)致岸坡滑移，對(duì)橋墩臺(tái)造成壓力，也會(huì)引起地基土質(zhì)性質(zhì)和穩(wěn)定性的變化，產(chǎn)生液化等現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁垮塌等重大震害。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，梁式橋的搭接與限位、拱橋的墩臺(tái)剛度、吊桿錨固，斜拉橋和懸索橋的橋塔與錨碇都成為地震破壞集中體現(xiàn)的部位。

目前，廣東省橋梁總體抗震水平如何呢？通過(guò)橋梁地震易損性分析和對(duì)比研究可初步得出在不同地震烈度下廣東省樣本橋梁的破壞及分布，據(jù)此可做進(jìn)一步針對(duì)性研究。

橋梁地震易損性分析研究需考慮兩個(gè)前提：首先是不同時(shí)期采用的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范不同。2008年四川汶川特大地震之前，設(shè)計(jì)用 《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 （JTJ004－89）未考慮地震效應(yīng)組合以及抗震設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，致使上世紀(jì)八九十年代建設(shè)的橋梁普遍存在重強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕耐久性設(shè)計(jì)、橋梁設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備偏低的問(wèn)題。2008年實(shí)施的 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）采用兩水平設(shè)防和兩階段設(shè)計(jì)，引入能力保護(hù)原則，確保延性能力和位移能力，提高了橋梁的抗震能力。其次是橋梁損傷差異大，且病害程度與橋梁建設(shè)年代并無(wú)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的關(guān)系，需分別考慮[1]。

1 橋梁樣本情況

廣東省橋梁地震易損性分析采用的資料，是在研究廣東水系分布和各市交通圖件的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的部分大橋?qū)傩再Y料和圖紙，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)一步補(bǔ)充得到，橋位如圖1所示。資料收集的范圍主要集中在珠三角區(qū)域，其中廣州市區(qū)、番禺區(qū)、佛山市、中山市、東莞市、珠海市等地橋梁樣本較為集中，粵東、粵西、粵北較少。

調(diào)查橋梁種類較多，按結(jié)構(gòu)類型分有簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、拱橋 （上、中、下承式）、連續(xù)剛構(gòu)橋、剛架橋、斜拉橋、懸索橋以及各種組合式橋，分析對(duì)象主要為跨江橋。通過(guò)收集這些橋梁屬性資料 （包括基礎(chǔ)圖件、簡(jiǎn)單屬性），以各地級(jí)市為單位，現(xiàn)場(chǎng)著重調(diào)研了各市區(qū)多種類型橋梁和重要橋梁，選出梁式橋、拱橋、剛架橋、懸臂梁橋等共202座做群體易損性分析，其中簡(jiǎn)支梁橋、板橋共計(jì)55座，連續(xù)梁、組合式梁橋及剛架橋共計(jì)68座，連續(xù)剛構(gòu)、懸臂梁橋共計(jì)33座，剛架拱、桁架拱、剛拱、雙曲拱、空間鋼肋拱及其它拱式橋共計(jì)46座。

研究發(fā)現(xiàn)，使用正常、維護(hù)好、耐久性好的橋梁具有較好的抗震性能，而橋梁本身已出現(xiàn)裂縫、部分構(gòu)件裂開、腐蝕嚴(yán)重，甚至混凝土保護(hù)層剝落露筋等現(xiàn)象時(shí)，其震害相應(yīng)較重。通過(guò)對(duì)所收集橋梁的震害統(tǒng)計(jì)和易損性分析結(jié)果對(duì)比說(shuō)明，已加固橋梁易損性指數(shù)明顯降低，抗震性能增強(qiáng)，而建設(shè)年代久遠(yuǎn)、本身有病害的橋梁震害相對(duì)嚴(yán)重。

依據(jù)廣東省工程場(chǎng)地分區(qū)圖提供的不同區(qū)域的場(chǎng)地類別[2]，如圖1～2所示，結(jié)合橋位圖和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判，可得出橋梁所處的工程場(chǎng)地類別和地基失效程度。

2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)測(cè)方法

本次橋梁地震易損性分析采用三次判別的方法，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法側(cè)重于考慮橋梁整體的破壞水平估計(jì)，個(gè)性差異小，但是預(yù)測(cè)的對(duì)象往往不可能與統(tǒng)計(jì)時(shí)橋梁的背景資料完全一致，有時(shí)甚至差異較大，這將會(huì)在一定程度上影響預(yù)測(cè)精度。另外統(tǒng)計(jì)樣本中缺少已經(jīng)抗震設(shè)防和加固橋梁的樣本及缺少施工質(zhì)量、樁柱尺寸、埋置深度、墩臺(tái)寬度等資料。因此在進(jìn)行整個(gè)城市公路橋梁易損性分析時(shí)，將上述計(jì)算的預(yù)測(cè)震害指數(shù)作為一次判別，然后結(jié)合被預(yù)測(cè)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查及設(shè)計(jì)施工資料查閱，依據(jù)群體震害預(yù)測(cè)的方法推演和參考?xì)v次地震后橋梁震害實(shí)例，著重總結(jié)了四川汶川地震中橋梁的破壞現(xiàn)狀和等級(jí)記錄，進(jìn)行二、三次判別，得出最終的易損性指數(shù)值。

一次判別：提取九個(gè)影響橋梁震害的主要因素[3、4]（地震烈度、場(chǎng)地土類別、地基失效程度、上部結(jié)構(gòu)形式、支座形式、墩臺(tái)高度、墩臺(tái)材料、基礎(chǔ)形式和橋梁長(zhǎng)度），依據(jù)每個(gè)因素的具體情況選取響應(yīng)參考值連乘，并賦加權(quán)系數(shù)值予以修正。九個(gè)震害因素的參考值如表1所示。預(yù)測(cè)基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞及毀壞的取值分別為：A≤1.23、1.23＜A＜2.20、2.20＜A＜3.38、3.38＜A＜4.40、A≥4.40。

圖1 橋梁樣本位置示意圖Fig1 Distribution of bridge samples

圖2 廣東省工程場(chǎng)地分區(qū)圖Fig.2 Zoning Map of Project Sites in Guangdong Province

二次判別：建議對(duì)已加固橋梁減少震害指數(shù)0.5～1.0，對(duì)墩柱截面過(guò)小，基礎(chǔ)埋深較淺增加0.25，對(duì)特別重要橋梁可保守地增加0.25處理，對(duì)于預(yù)測(cè)對(duì)象資料收集不齊而估算的可增加0.25～0.5，以上修正值僅供參考。

三次判別，通過(guò)建設(shè)年代劃分，主要是源于設(shè)計(jì)規(guī)范的考慮。對(duì)于依據(jù)89規(guī)范建設(shè)橋梁，建議修正震害指數(shù)0.25～0.5。通過(guò)橋梁病害體征劃分，對(duì)于結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)較多裂縫、混凝土保護(hù)層脫落導(dǎo)致露筋、嚴(yán)重腐蝕、主要承重構(gòu)件變形等保守增加0.5～1.0。

表1 橋梁參數(shù)量化表Table 1 Bridge parameter quantization table

3 分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法的多次應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)，該方法是對(duì)橋梁樣本做統(tǒng)計(jì)意義上的震害預(yù)測(cè)，因此群體分析結(jié)果宜以橋梁在不同地震烈度下的破壞百分比為判別依據(jù)，而不過(guò)分關(guān)注每座橋梁的破壞狀態(tài)。表2～6依次給出了總體和分類統(tǒng)計(jì)易損性分析結(jié)果。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)的結(jié)果較為明顯的區(qū)別是，理論結(jié)果具有規(guī)律的階躍性，隨機(jī)性差于現(xiàn)場(chǎng)震害統(tǒng)計(jì)結(jié)果，但震害趨勢(shì)一致。通過(guò)二次，三次評(píng)估可一定程度消除其特有規(guī)律，一定程度上體現(xiàn)橋梁特性易損性分析結(jié)果。

將全體橋梁樣本易損性分析結(jié)果錄入ArcGIS屬性數(shù)據(jù)表，圖3為ArcMap界面中顯示地震烈度Ⅶ～Ⅸ度破壞分布情況，運(yùn)用不同的顏色標(biāo)識(shí)出橋梁破壞等級(jí)，結(jié)合以上分析結(jié)果直觀判斷樣本橋梁震害程度。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果對(duì)比分析

3.1.1 隴南公路總段易損性分析[5]結(jié)果

隴南公路總段所轄橋梁工程主要分布在甘肅省文縣和武都區(qū)境內(nèi)，位于龍門山斷裂帶北東向延伸區(qū)域，各類型橋梁分布于G212、G316、S205、S206、S208等多條線路上。

隴南公路總段的橋梁位于5.12地震Ⅷ度、Ⅸ度區(qū)，震后科學(xué)考察工作著重調(diào)查了各類橋梁在本次地震中的震害現(xiàn)象，包括垮塌、落梁、移位、裂縫、支撐系統(tǒng)破壞等詳細(xì)情況和資料，對(duì)獲取的資料進(jìn)行了分類整理，給出了橋梁震害描述，為易損性對(duì)比分析研究提供了豐富、可靠的基礎(chǔ)資料。表7為154座橋梁 （鋼筋混凝土梁橋19座、板橋52座、懸索橋1座、拱橋82座）的易損性分析與實(shí)際震害對(duì)比結(jié)果。

表2 橋梁總體群體易損性分析結(jié)果Table 2 Vulnerability analysis results of general bridge groups

表3 簡(jiǎn)支梁橋、板橋易損性分析結(jié)果Table 3 Vulnerability analysis results of simple-supported beam bridge and slab bridge

表4 連續(xù)梁、組合梁橋易損性分析結(jié)果Table 4 Vulnerability analysis results of continuous beam bridge and composite girder bridge

表5 連續(xù)剛構(gòu)、懸臂梁橋易損性分析結(jié)果Table 5 Vulnerability analysis results of continuous steel structure bridge and cantilever bridge

表6 各類拱橋易損性分析結(jié)果Table 6 Vulnerability analysis results of all kinds of arch bridges

3.1.2 四川省重災(zāi)區(qū)干線公路橋梁震害統(tǒng)計(jì)結(jié)果[6]

文章統(tǒng)計(jì)了四川重災(zāi)區(qū)國(guó) （?。└删€公路1657座橋梁的震害資料，如表8所示，震害表明，雙柱式墩、矩形墩以及連續(xù)梁橋震害程度分別高于獨(dú)柱式墩、圓形墩和簡(jiǎn)支梁橋。整體性差、限位差的橋梁破壞較重。不同橋型抗震能力差別為：極重災(zāi)區(qū)連續(xù)梁普遍出現(xiàn)縱橫向移位、橋墩傾斜等震害；簡(jiǎn)支梁橋多為梁體移位和落梁、擋塊和支座的破壞；拱橋尤其單跨拱則表現(xiàn)良好，震害表現(xiàn)多為拱圈和拱上結(jié)構(gòu)的破壞。

圖3 橋梁樣本在地震烈度Ⅶ～Ⅸ度時(shí)易損性分析結(jié)果Table 3 The vulnerability analysis results of bridge samples at seismic intensityⅦ～Ⅸ

表7 預(yù)測(cè)結(jié)果匯總與實(shí)際結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparison of Earthquake damage prediction results with actual results

表8 四川重災(zāi)區(qū)干線公路橋梁震害比例Table 8 Highway bridge damage ratio in Sichuan disaster areas

3.2 各地區(qū)橋梁易損性分析結(jié)果對(duì)比

以下各市區(qū)橋梁樣本與本次分析所采用的樣本重合率低，基本可認(rèn)為是不同的樣本集。

3.2.1 廣州市市區(qū)橋梁易損性分析結(jié)果

廣州市區(qū)所統(tǒng)計(jì)分析的橋梁主要由29座立交橋和3座跨江橋組成。橋型以連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)為主 （表9），樣本數(shù)據(jù)引自各城市震害預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.2.2 東莞市市區(qū)橋梁易損性分析結(jié)果

東莞市區(qū)統(tǒng)計(jì)分析的橋梁主要結(jié)構(gòu)類型為簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、拱橋和板橋幾類 (表10）。

表9 廣州橋梁震害預(yù)測(cè)結(jié)果Table 9 Earthquake damage prediction results of bridges in Guangzhou

表10 東莞市區(qū)橋梁易損性分析結(jié)果Table 10 Vulnerability analysis results of bridges in Dongguan urban area

3.2.3 中山市市區(qū)橋梁易損性分析結(jié)果

中山市區(qū)統(tǒng)計(jì)分析的橋梁主要結(jié)構(gòu)類型為簡(jiǎn)支梁、懸臂梁、連續(xù)梁、拱橋、板橋幾類（表11）。

表11 中山市區(qū)橋梁易損性分析結(jié)果Table 11 Vulnerability analysis results of bridges in Zhongshan urban area

3.2.4 泉州市橋梁易損性對(duì)比結(jié)果

泉州市橋梁樣本共計(jì)182座，廣泛分布于各國(guó)道、省道、縣道及鄉(xiāng)道。主要結(jié)構(gòu)類型為梁橋、板橋、拱橋及組合式橋幾類 （表12）。

表12 泉州群體公路橋梁震害預(yù)測(cè)結(jié)果Table 12 Earthquake damage prediction results of group road bridges in Quanzhou

3.3 各橋梁樣本易損性分析結(jié)果綜合對(duì)比

表13 各地區(qū)分析結(jié)果對(duì)比Table 13 Comparative analysis of all regions

圖4 分析結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparative analysis of results

4 結(jié)論

（1）粵閩橋梁的易損性分析結(jié)果顯示，地震烈度Ⅶ度時(shí)整體抗震水平較高，超過(guò)Ⅷ度時(shí)，發(fā)生中等破壞和嚴(yán)重破壞的概率約為30%和10%，與之對(duì)比分析的隴南公路總段橋梁位于四川汶川5.12地震Ⅷ度、Ⅸ度區(qū)，調(diào)查結(jié)果顯示發(fā)生中等破壞和嚴(yán)重破壞的百分比分別為49%和15%，差別在于省內(nèi)橋梁破壞等級(jí)構(gòu)成較為均勻。這主要是因?yàn)閺V東省橋梁在設(shè)計(jì)中較多地考慮了抗震因素，因此抵御地震的能力相對(duì)較強(qiáng)，相對(duì)于不設(shè)防或設(shè)防水平較低的中小橋，其破壞程度較輕。因此判斷兩者分析結(jié)果具有較好的一致性，并進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法對(duì)于整體橋梁易損性研究的應(yīng)用性和可行性。

通過(guò)分類計(jì)算結(jié)果顯示，連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)震害水平相當(dāng)，并優(yōu)于簡(jiǎn)支梁橋；拱橋抗震能力較好。該結(jié)果與四川重災(zāi)區(qū)干線公路震害調(diào)查結(jié)果不盡一致，這源于橋梁樣本數(shù)量、高烈度影響和場(chǎng)地環(huán)境的差異。

（2）由以上計(jì)算結(jié)果圖表可以看出，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與橋型、建設(shè)規(guī)模及分布地區(qū)有著必然的聯(lián)系。廣州市區(qū)的橋梁樣本以立交橋、高架橋?yàn)橹?，樣本?shù)偏少，結(jié)構(gòu)型式多為梁式橋，分析橋墩在反復(fù)靜載作用下的變形屈曲，結(jié)果顯示，其破壞等級(jí)變化較為規(guī)律，隨著地震烈度加大，整體橋梁樣本基本呈現(xiàn)由彈性變形向屈曲變形的規(guī)律轉(zhuǎn)變過(guò)程。東莞市、中山市和泉州市的橋梁樣本是各類型大、中、小橋，結(jié)構(gòu)型式多為梁橋、拱橋，基本不涉及特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式，橋梁規(guī)模水平相當(dāng)，在地震烈度為Ⅶ度和Ⅷ度時(shí)，相似性較好；在Ⅸ度時(shí)，中山市橋梁破壞程度偏重，其余兩市較為相似。這種差異主要來(lái)源于橋梁樣本的使用現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)型式。中山市市區(qū)很多中小橋梁修建于上世紀(jì)80年代至90年代末期間，運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)防水平偏低相應(yīng)震害易損性指數(shù)值就會(huì)偏大。因此，震害結(jié)果可一定程度上反應(yīng)出該橋梁樣本的整體建設(shè)水平。

（3）不同的計(jì)算方法所得結(jié)果會(huì)有整體傾向性，在運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法判別橋梁的整體抗震水平時(shí)，樣本宜均勻覆蓋多種結(jié)構(gòu)類型，具備相當(dāng)數(shù)量，記錄使用現(xiàn)狀和建設(shè)年代等。同理，在整合已有破壞橋梁資料時(shí)也應(yīng)注意這些問(wèn)題，以反過(guò)來(lái)校正加權(quán)系數(shù)值。

（4）根據(jù)橋梁樣本的破壞分布和破壞等級(jí)查找易損原因，可針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震能力研究，以判別是否需要進(jìn)行專門的健康檢測(cè)、維修加固以及安裝強(qiáng)震監(jiān)測(cè)設(shè)施等，逐步提高橋梁的抗震能力。

[1]JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]姜慧，黃劍濤，盧幫華，等，基于地震作用和場(chǎng)地影響確定廣東省設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù) [J].震災(zāi)防御技術(shù)，2010，4(5)：403～404.

[3]朱美珍.公路橋梁震害預(yù)測(cè)的實(shí)用方法 [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1994，22(3)：280-282.

[4]王東升，馮啟民.橋梁震害預(yù)測(cè)方法 [J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2001，33(10):113-118.

[5]杜鵬，姜慧，王東明，等，隴南公路總段橋梁震害及易損性分析 [J].地震工程與工程振動(dòng)，2010，4 (3)：103～108.

[6] 莊衛(wèi)林，劉振宇，蔣勁松，等，汶川大地震公路橋梁震害分析及對(duì)策 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2009，7（28）：1377～1387.

A Comparative Study into the Seismic Vulnerability of Sample Bridges in Guangdong Province

DUPeng1，2，3，JIANGHui1，2，3，WANGLixin1，2，3

（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Key laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology,CEA，Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects，Guangzhou 510070，China)

There are many bridges in Guangdong province.Over a long period of operation,the seismic capacity has differed to a great extent.In order to understand the general capacity of the bridges in earthquake prevention,this paper has conducted an analysis study on the group vulnerability of sample bridges in Guangdong,using three-time differentiation prediction method of empirical statistical,which leads to overall and respective data and diagram analysis results as per different upper structure types.Major conclusions are draw upon the comparative study of the above-mentioned results with that of the site bridge studies after Sichuan Wenquan earthquake and earthquake vulnerability results from typical sample bridge sets.

Bridges in Guangdong;Earthquake;Vulnerability analysis;Comparative study

P315.726

A

1001-8662（2012）03-0011-10

2012-04-10

廣東省科技廳項(xiàng)目“四川汶川特大地震發(fā)震與成災(zāi)機(jī)理探索及廣東省的減災(zāi)對(duì)策研究” (項(xiàng)目編號(hào)：00144971120309058).

杜 鵬，女，1979年生，工程師，主要從事城市生命線系統(tǒng)地震易損性分析工作. E-mail：dupeng4589@126.com.