張昊宇,黃 勇,汪云龍,管仲國(guó),綻蓓蕾,蔡麗雯
(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150080;2.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150080;3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092;4.青海省地震局,青海西寧 810001)
橋梁震害往往給人員生命財(cái)產(chǎn)造成較大損失,特別是影響應(yīng)急救援和恢復(fù)重建工作。科學(xué)地調(diào)查橋梁的震害信息,為模擬分析、總結(jié)抗震經(jīng)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就成為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。汶川地震后,四川省交通廳組織開展了系統(tǒng)的橋梁震害調(diào)查,采用逐橋進(jìn)行外觀檢查,記錄震害基本情況和分布,再通過(guò)橋檢車等相關(guān)儀器設(shè)備對(duì)裂縫、支座位移變形、主梁位移和橋墩位移等進(jìn)行測(cè)量,最終形成震害調(diào)查報(bào)告,為應(yīng)急處置和恢復(fù)重建提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。然而限于自然條件,許多橋梁所處地址位置往往為溝壑山澗或是湖泊河流,傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行系統(tǒng)的位移測(cè)量和震害調(diào)查困難較大,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)震害全貌也難以通過(guò)拍照進(jìn)行完整全面的保留。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)(UAV)近年來(lái)快速發(fā)展,在智慧城市、災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2-3]。其靈活自由高效的信息提取優(yōu)勢(shì)恰好能彌補(bǔ)傳統(tǒng)橋梁震害調(diào)查的局限,更全面地獲取橋梁震害信息[4]。
2021年5月22日,青海省果洛自治州瑪多縣(北緯34.59°,東經(jīng)98.34°)發(fā)生Ms7.4級(jí)地震,震源深度17 km[5]。此次地震中共玉高速段的野馬灘1號(hào)、2號(hào)大橋出現(xiàn)大面積落梁的嚴(yán)重震害,是本次地震最典型的工程震害之一。震后筆者參加了震區(qū)典型工程震害的科學(xué)考察,著重對(duì)這2座大橋進(jìn)行調(diào)查[6]。
文中介紹了采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)構(gòu)建了2座大橋的三維模型,并基于該模型對(duì)2座大橋的主梁軸向、側(cè)向位移,以及橋墩距離進(jìn)行了測(cè)量估計(jì)及分析。一方面將震害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全息保留,整理給出系統(tǒng)的橋梁震害位移,為大橋的震害經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、地震模擬分析提供參考;同時(shí)也對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在橋梁震害調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行嘗試探索。
野馬灘1號(hào)、2號(hào)大橋位于共玉高速瑪多黃河大橋至巴彥喀拉山段,所處地區(qū)平均海拔約4 200 m,均為雙向分離(含上行線、下行線)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)空心板橋,跨度20 m,橋面寬度約9 m,下部結(jié)構(gòu)為雙柱墩,1號(hào)大橋全長(zhǎng)507.4 m,上下行各25跨;2號(hào)大橋位于1號(hào)大橋以南約1.5 km處,全長(zhǎng)約887 m,上行(玉樹至共和)45跨,下行(共和至玉樹)44跨。應(yīng)急管理部、中國(guó)地震局2021年5月28日發(fā)布的烈度圖[7](圖1)顯示,此次地震宏觀震中烈度為Ⅹ度,野馬灘1號(hào)橋位于宏觀震中Ⅹ度區(qū),2號(hào)橋位于Ⅸ度區(qū)。預(yù)估的地震破裂帶距鄰近2座大橋,位于野馬灘1號(hào)橋北側(cè)。根據(jù)大橋上行線施工圖,典型跨尺寸如圖2所示。震后野馬灘1號(hào)橋70%主梁落梁(圖3(a)),野馬灘2號(hào)橋上行6跨主梁落梁,下行線橋梁明顯移位但無(wú)落梁(圖3(b))。
圖1 瑪多7.4級(jí)地震烈度圖[3]及野馬灘1號(hào)、2號(hào)大橋位置關(guān)系Fig.1 Intensity distribution of the earthquake[3]&the location of the bridges
圖2 野馬灘1號(hào)、2號(hào)大橋典型跨示意圖Fig.2 Sketch of Yematan No.1&No.2 bridges(unit:cm)
圖3 野馬灘1號(hào)、2號(hào)大橋總體震害Fig.3 Aerial view of the bridges
使用大疆Mavic2 pro進(jìn)行航拍。由于拍攝區(qū)域水面較多,不利于建模解算,且橋梁側(cè)面及墩柱為建模重點(diǎn),故航拍采用正攝航線規(guī)劃,其他方向手動(dòng)控制拍照的方法:除了正攝和4個(gè)斜45°方向外,還對(duì)破壞較重的野馬灘1號(hào)上下行線橋和野馬灘2號(hào)上行線橋進(jìn)行了近距離平視側(cè)面拍照,對(duì)野馬灘2號(hào)上行線的2個(gè)典型橋跨進(jìn)行了近距離環(huán)繞拍照(圖4,圖5)。采集到的有效照片數(shù)量為野馬灘1號(hào)大橋1 966張,野馬灘2號(hào)大橋1 859張。照片總體信息如表1所示。
表1 航拍照片數(shù)量Table 1 Aerial photo number
圖4 野馬灘1號(hào)大橋航拍分布Fig.4 Aerial photo position for Yematan No.1 bridge
圖5 野馬灘2號(hào)大橋航拍分布Fig.5 Aerial photo position for Yematan No.2 bridge
使用大疆智圖(DJI Terra)[8]建模:選取三維模型功能,根據(jù)軟件提示,將照片導(dǎo)入后點(diǎn)擊“開始重建”按鈕,即可為自動(dòng)完成建模。為避免不同位置、高度的照片定位誤差導(dǎo)致的模型重影錯(cuò)誤,采用以下步驟修正:(1)對(duì)不同位置和角度的照片按序列分別建模;(2)以正攝建模為準(zhǔn),測(cè)量不同模型同一位置的坐標(biāo)偏差;(3)修改對(duì)應(yīng)序列照片的定位坐標(biāo),再整體建模。由此生成的模型質(zhì)量較好,圖6、圖7為在Context Capture Viewer瀏覽器中打開的大橋模型。
圖6 野馬灘1號(hào)橋震害模型Fig.6 3D damage model of No.1 Yematan bridge
圖7 野馬灘2號(hào)橋震害模型Fig.7 3D damage model of No.2 Yematan bridge
受限于設(shè)備及場(chǎng)地條件,模型還存在以下不足:(1)缺乏相控點(diǎn),模型的定位和尺寸精度缺少參考[9];(2)拍攝角度所限,除野馬灘2號(hào)上行線的30號(hào)墩、35號(hào)墩附近外,其余橋梁底部較為粗糙(如圖6(b));(3)由于未出現(xiàn)落梁,野馬灘2號(hào)下行線并未近距離拍照,西側(cè)橋墩較粗糙(圖8(a));(4)由于不同序列照片的定位誤差,野馬灘1號(hào)上行線個(gè)別橋墩有輕微重疊(圖8(b))。這些不足給模型的震害信息提取和分析帶來(lái)一些不便。為了評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的誤差,文中采用統(tǒng)計(jì)方法分析了量測(cè)結(jié)果。
圖8 模型不足Fig.8 Deficiencies of the models
如圖9所示,借助3D模型瀏覽器Context Capture Viewer,可量測(cè)兩座大橋的蓋梁寬度、橋墩間距和縱橫橋向位移等信息。
圖9 關(guān)鍵尺寸量測(cè)Fig.9 Size measurement
如圖10,對(duì)每個(gè)橋墩和橋跨,在兩側(cè)(東、西)分別測(cè)量蓋梁寬度b,及相鄰橋墩蓋梁的距離L1,L2。以0.5(L1+L2)作為該側(cè)橋梁跨度的估計(jì)值。由此得到2座大橋的尺寸如表2、表3所示。
表3 野馬灘2號(hào)橋橋梁跨度及橋墩寬度測(cè)量值Table 3 Bent cap width&span of Yematan No.2 bridge cm
圖10 蓋梁寬度及墩距量測(cè)Fig.10 Bent cap width&span measurement
表2 野馬灘1號(hào)橋橋梁跨度及蓋梁寬度測(cè)量值Table 2 Bent cap width&span of Yematan No.1 bridge cm
對(duì)表2、表3數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖11。假定測(cè)量值符合正態(tài)分布,則蓋梁寬度觀測(cè)值的變異系數(shù)為1號(hào)橋0.65%,2號(hào)橋0.77%;具有95%保證率的蓋梁寬度范圍為:1號(hào)橋167.2~171.6 cm;2號(hào)橋167.4~172.4 cm??缍炔钪担纯缍攘繙y(cè)值與設(shè)計(jì)值間的差值)變異系數(shù)為1號(hào)橋上行線0.14%,2號(hào)橋上行線0.13%;具有95%保證率的跨度偏差范圍為:1號(hào)橋上行線-4.5~6.5 cm,2號(hào)橋上行線-4.0~5.0 cm。
圖11 蓋梁寬度及橋梁跨度統(tǒng)計(jì)Fig.11 Statistical analysis of bent cap width&span
可見,蓋梁寬度和橋跨度的量測(cè)值基本符合設(shè)計(jì)尺寸。這一方面驗(yàn)證了大橋三維模型的尺寸和位移具有一定的精度,也表明多數(shù)橋墩大概率未出現(xiàn)明顯傾斜位移。
相比之下,跨度差值的均值偏差(1 cm左右)和標(biāo)準(zhǔn)差(2.8 cm左右)均大于蓋梁寬度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(均值偏差≤0.4 cm,標(biāo)準(zhǔn)差1.2 cm左右)。這主要源于個(gè)別橋墩可能出現(xiàn)受震側(cè)移,使跨度觀測(cè)值偏離設(shè)計(jì)值。
由于缺少參照點(diǎn)(如橋梁中線),震害位移無(wú)法直接量測(cè)?;谇笆龇治?,大部分橋墩未出現(xiàn)明顯側(cè)移,因此如圖12所示,首先量測(cè)每個(gè)橋墩處的典型尺寸(dm、we、b),對(duì)應(yīng)位置大橋的縱向位移dl采用式(1)估算,之后按照式(2),以東西兩側(cè)縱向位移平均值dˉl表征主梁在該橋墩處的縱向位移。除野馬灘2號(hào)橋下行線外,均采用式(3),以主梁與蓋梁外側(cè)的距離之差估算橋梁的橫向位移。對(duì)于野馬灘2號(hào)橋下行線,由于模型的橋梁西側(cè)較為粗糙,相應(yīng)位移難以準(zhǔn)確量測(cè),因此橋梁縱向位移dt以東側(cè)量測(cè)值為準(zhǔn);橋梁橫向位移dc采用式(4)計(jì)算。
圖12 大橋位移量測(cè)及推算示意圖Fig.12 Seismic displacement measurement
式中:dl為主梁在某一方向(東E或西W)沿橋梁縱向的位移;dm為主梁端部距蓋梁側(cè)面的距離;we為伸縮縫寬;b為蓋梁寬度;dl為主梁的平均縱向移位。dt為主梁在橫橋向的位移;dte為主梁東側(cè)面距未破壞的蓋梁東側(cè)外邊緣的距離;dtw為主梁西側(cè)面距未破壞的蓋梁西側(cè)外邊緣的距離;dte0為主梁東側(cè)面距蓋梁東側(cè)外邊緣的設(shè)計(jì)距離,參考二號(hào)橋上行線施工圖(圖1),取為35 cm。
按上述方法對(duì)所有橋墩的位移進(jìn)行量測(cè)估算,結(jié)果如表4、表5所示。
根據(jù)表4、表5,未落梁時(shí)選取2個(gè)橋墩處橫向及縱向位移平均值作為該跨主梁的位移;落梁時(shí)選取未脫落一側(cè)橋墩處的量測(cè)值作為該跨主梁位移。由此可得表6、表7及圖13、圖14主梁震害位移分布。
圖13 (續(xù))Fig.13(Continued)
圖13 野馬灘1、2號(hào)橋主梁位移Fig.13 Seismic drift of the beams of Yematan No.1&No.2 bridge(unit:cm)
表4 野馬灘1號(hào)橋震害位移Table 4 Seismic displacement of Yematan No.1 bridge cm
表5 野馬灘2號(hào)橋震害位移Table 5 Seismic displacement of Yematan No.2 bridge cm
表6 野馬灘1號(hào)橋主梁震害位移Table 6 Seismic drift of the beams of Yematan No.1 bridge cm
表7 野馬灘2號(hào)橋主梁震害位移Table 7 Seismic drift of the beams of Yematan No.2 bridge cm
由圖13可知,大橋的震害位移呈現(xiàn)如下規(guī)律:
(1)所有橋梁的縱向位移均為北向,呈現(xiàn)了顯著的地震動(dòng)近場(chǎng)大脈沖效應(yīng)[10-14]。野馬灘1號(hào)橋的縱向位移(均值上行86 cm,下行72 cm)明顯大于2號(hào)橋(均值上行49 cm,下行33 cm),這與1號(hào)橋離斷裂帶更近相一致。1號(hào)橋和2號(hào)橋的縱向位移變化趨勢(shì)有所不同:1號(hào)橋總體沿均值上下波動(dòng),而2號(hào)橋由北至南位移不斷增大。推測(cè)原因?yàn)椋?號(hào)橋主梁共計(jì)35跨落梁,占比70%,主梁的縱向移動(dòng)受到的限制相對(duì)較?。?號(hào)橋上行段7跨主梁脫落,其他均未落梁,大多數(shù)主梁縱向位移受到相鄰跨主梁的約束。在縱向地震動(dòng)脈沖作用下,北側(cè)橋臺(tái)約束了第一跨主梁的縱向位移,同時(shí)伸縮縫逐一被壓縮,由北至南累積,造成了遠(yuǎn)離斷裂帶一側(cè)的縱向位移越來(lái)越大。7個(gè)落梁橋跨均位于遠(yuǎn)離斷裂帶的橋臺(tái)附近,可能與之相關(guān)。脫落的主梁,縱向位移總體較大,但也有部分未脫落的主梁,縱向位移大于落梁橋跨,原因可能為:1)主梁向北滑移,從一側(cè)橋墩脫開后向下塌落,主梁在重力作用下可能向南滑落,使殘余側(cè)移有所減??;2)部分主梁雖未脫落,實(shí)際介于倒塌邊緣,殘余側(cè)移也較大。
(2)橋梁的橫向位移呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性:1號(hào)橋上、下行線的平均位移均為西向,但少數(shù)主梁殘余側(cè)移為東向;2號(hào)橋的橫向位移平均值則均為東向,也有部分主梁保留了西向的側(cè)移。無(wú)論主梁的殘余側(cè)移為哪個(gè)方向,蓋梁兩側(cè)的擋塊絕大多數(shù)均出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞(如圖6,圖7),說(shuō)明大橋在東西向經(jīng)歷了顯著的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1號(hào)橋的橫向位移波動(dòng)范圍顯著大于2號(hào)橋,這與1號(hào)橋更接近斷裂帶相一致。
(3)兩座大橋上下行線的縱橫向殘余位移曲線均保留著波動(dòng)趨勢(shì),可能與地震動(dòng)的行波效應(yīng)有關(guān)[15-17]。
表2、表3給出了橋梁跨度(即蓋梁間距)量測(cè)值?;谶@些數(shù)據(jù),我們嘗試對(duì)橋墩位移進(jìn)行估計(jì)。3.1節(jié)橋墩間距的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,絕大多數(shù)橋墩間距接近20 m,且大部分橋墩發(fā)生位移的可能性不大。因此采用式(5)對(duì)橋墩是否可能出現(xiàn)震損位移進(jìn)行估計(jì)。
式中:la為橋墩一側(cè)的墩距量測(cè)值;lb為該墩另一側(cè)墩距量測(cè)值;Δl為橋墩左右兩跨間距差值絕對(duì)值。
由于橋墩間距差Δl受橋墩兩側(cè)間距的共同影響,因此并非與該橋墩位移具有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。但間距差較大的橋墩,出現(xiàn)震損位移的可能性相對(duì)較大,可用于指導(dǎo)進(jìn)一步的調(diào)查和測(cè)量。
使用式(5)對(duì)2座大橋中間區(qū)段的橋墩逐一計(jì)算,可得表8、表9及圖14所示結(jié)果。
基于表8、表9及圖14結(jié)果,認(rèn)為可能出現(xiàn)傾斜移位,需進(jìn)一步重點(diǎn)關(guān)注的橋墩包括:1號(hào)橋上行線16號(hào)墩、20號(hào)墩;1號(hào)橋下行線14號(hào)墩、17號(hào)墩、20號(hào)墩;2號(hào)橋上行線30號(hào)墩、35號(hào)墩;2號(hào)橋下行線14號(hào)墩、37號(hào)墩。
圖14 橋墩間距差ΔlFig.14 Piers distance differenceΔl(unit:cm)
表8 野馬灘1號(hào)橋橋墩間距差ΔlTable 8 Pier distance of Yematan No.1 bridge cm
表9 野馬灘2號(hào)橋橋墩間距差ΔlTable 9 Pier distance of Yematan No.2 bridge cm
對(duì)照生成的橋梁三維模型,2號(hào)橋上行線的30、35號(hào)墩確實(shí)出現(xiàn)了肉眼可見的傾斜(圖7(b)、7(c)),落梁碰撞可能為其傾斜原因之一。1號(hào)橋下行線的17號(hào)墩,東側(cè)墩柱出現(xiàn)了疑似剪切失效的嚴(yán)重破壞(圖15),西側(cè)墩柱則未見明顯傾斜和損壞。墩柱的損壞很可能與該區(qū)域發(fā)現(xiàn)的大面積砂土液化相關(guān)[6,10,18-20],具體有待進(jìn)一步研究。
圖15 野馬灘1號(hào)橋下行線17號(hào)墩柱震損Fig.15 Damage of No.17 pier column
針對(duì)公路橋梁震害調(diào)查中,震害位移難于系統(tǒng)測(cè)量、震害信息難以完整保留的問題,以遭遇青?,敹?.4級(jí)地震的野馬灘1號(hào)、2號(hào)大橋?yàn)槔?,基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù),構(gòu)建了2座大橋的精細(xì)震害三維模型,量測(cè)評(píng)估了大橋的震害位移。
基于震害三維模型對(duì)大橋蓋梁寬度、橋梁跨度逐一量測(cè),對(duì)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并與2座大橋上行線施工圖對(duì)比,結(jié)果表明模型尺寸基本符合施工圖,具備一定精度。多數(shù)橋墩未出現(xiàn)明顯震害位移或傾斜。
通過(guò)量測(cè)三維模型的關(guān)鍵尺寸,基于橋梁構(gòu)件的幾何關(guān)系,評(píng)估了2座大橋所有主梁的縱向、橫向位移。結(jié)果顯示,所有主梁的縱向位移方向均為北向,表明大橋在垂直于地震破裂帶的方向上受到了顯著的脈沖地震動(dòng)作用。野馬灘1號(hào)橋的平均縱向位移(上行86 cm,下行72 cm)明顯大于2號(hào)橋(上行49 cm,下行33 cm);1號(hào)橋70%的主梁脫落,縱向位移由北至南圍繞位移均值波動(dòng)變化;2號(hào)橋上行線南部局部落梁,縱向位移由北至南逐漸增大。2座大橋的橫向位移呈現(xiàn)波動(dòng)變化,具有一定的隨機(jī)性,同時(shí)大部分蓋梁兩側(cè)擋塊均嚴(yán)重破壞,表明在平行于地震斷裂帶方向上受到了顯著的往復(fù)地震作用。
基于量測(cè)得到的橋墩間距,利用相鄰跨間距差值對(duì)橋墩傾斜移位進(jìn)行了初步估計(jì)。結(jié)果表明少數(shù)橋墩出現(xiàn)了傾斜或移位。對(duì)比三維震害模型,野馬灘2號(hào)橋上行線橋墩間距差最大的30號(hào)墩、35號(hào)墩確實(shí)出現(xiàn)了肉眼可見的傾斜;野馬灘1號(hào)橋間距差最大的17號(hào)橋墩,東側(cè)墩柱出現(xiàn)嚴(yán)重剪切破壞,可能與該地區(qū)大面積的砂土液化有關(guān)。
大橋震害三維模型和位移數(shù)據(jù)可為總結(jié)震害經(jīng)驗(yàn)、仿真模擬分析提供技術(shù)支持;文中工作也可為橋梁震害信息提取和保留提供技術(shù)方法上的參考。如讀者需要2座大橋的三維模型文件,可郵件聯(lián)系第一作者。