淺談?wù)鸷髮?duì)橋梁工程的緊急救援

淺談?wù)鸷髮?duì)橋梁工程的緊急救援

2008年5月12日14:28（北京時(shí)間），四川省彭川縣英秀市發(fā)生8.0級(jí)大地震，焦距11度。震后,災(zāi)區(qū)大量道路橋梁遭到不同程度的破壞,對(duì)抗震救災(zāi)及災(zāi)后重建工作帶來(lái)極大困難和重大安全隱患,因此,有必要對(duì)震后道路橋梁工作性能進(jìn)行快速評(píng)估,以確?？拐鹁葹?zāi)和災(zāi)后重建工作的交通運(yùn)輸安全,同時(shí)也為受損道路橋梁震后重建或加固提供依據(jù)。1川龍門山斷裂帶綿廣高速公路是交通部規(guī)劃的國(guó)道主干線內(nèi)蒙二連浩特至云南河口公路(G040)四川境內(nèi)一段,路線起于綿陽(yáng)磨家,經(jīng)金家林、龍門、小溪壩、厚壩、廣元金子山、沙溪壩、昭化、陵江、瓷窯鋪、樓房溝、明月峽、中子,止于棋盤關(guān),全長(zhǎng)228km,四車道高速公路。汶川大地震地處四川龍門山地區(qū),龍門山斷裂帶內(nèi)主要有三條斷裂帶,從西北向東南分別為:沿汶川—茂汶的龍門山后山斷裂帶;沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶;沿都江堰—安縣的龍門山山前主邊界斷裂帶。棉廣高速距離都江堰—安縣斷裂較近,路線基本與之平行,走向均為NNE向,整個(gè)路線均處于龍門山斷裂帶影響范圍之內(nèi)。綿廣高速全線177座橋梁受損,本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分橋梁梁體整體狀況較好,地震并未對(duì)其造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性損壞,但地震造成的橋梁局部損傷較多,對(duì)抗震救災(zāi)中車輛的運(yùn)行帶來(lái)巨大的安全隱患。1.1結(jié)構(gòu)體系及位移震害分析橋梁上部結(jié)構(gòu)震害按照產(chǎn)生原因的不同,可以分為結(jié)構(gòu)震害、碰撞震害和位移震害(包括落梁震害)。橋梁結(jié)構(gòu)震害在歷次嚴(yán)重的地震中都比較少見(jiàn),綿廣高速公路上只發(fā)現(xiàn)友于大橋第九孔4、5號(hào)T梁馬蹄部混凝土脫落。橋梁碰撞震害包括:橋面伸縮縫位置混凝土裂縫及壓碎變形,混凝土伸縮縫位置護(hù)欄混凝土撞損(磨家互通式跨線橋等),T梁橫隔板開(kāi)裂(友于大橋、觀音巖大橋),鉸縫及濕接縫開(kāi)裂、混凝土脫落,及少數(shù)梁端及部分橋臺(tái)(約80余處)的損傷等震害。另外由于震后綿廣高速公路交通量增加、車輛荷載增大,造成橋梁碰撞震害加劇,如嘉陵江大橋、雷家壩中橋、K239+600渡槽、小塘子中橋、棋盤關(guān)中橋等。橋梁位移震害主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的縱向位移、橫向位移以及扭轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō),設(shè)置伸縮縫的地方比較容易發(fā)生位移震害。如果上部結(jié)構(gòu)的位移超過(guò)了墩、臺(tái)等的支撐面,則會(huì)發(fā)生更為嚴(yán)重的落梁震害。本次調(diào)查中橋梁的位移震害較為普遍,橫向位移主要出現(xiàn)在斜交橋上,其相對(duì)位移最大達(dá)21cm(圖1),而在正交橋梁中,橋梁的橫向相對(duì)位移較小。1.2構(gòu)造上的破壞支座的破壞形式主要表現(xiàn)為支座的位移、錨固螺栓拔出、剪斷,活動(dòng)支座脫落,以及支座本身構(gòu)造上的破壞等。本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn),橋梁支座損壞較多,支座存在位移、剪切變形、鼓包等震害,其中龍門E2匝道橋損壞尤為嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為:支座移位嚴(yán)重,部分支座位于兩片梁體之間,造成一片梁只有一個(gè)半支座支撐;支座的剪切破壞嚴(yán)重,部分已經(jīng)卷起(圖2)。1.3部分擋塊受損汶川地震對(duì)橋梁抗震擋塊及蓋梁端部造成的損壞是非常嚴(yán)重的,支座墊石受損較小,橋梁抗震擋塊損壞及蓋梁端部損壞較為普遍,其中部分擋塊損壞程度較為嚴(yán)重,震后主要靠擋塊內(nèi)部鋼筋支撐。橋梁墩、臺(tái)及系梁受到的損壞相對(duì)較小,但是依然有部分橋梁的墩(跨寶成鐵路1號(hào)橋和劍門河大橋)、臺(tái)、系梁(劍門河大橋等)受到損傷,主要表現(xiàn)為:在系梁根部出現(xiàn)環(huán)形或半環(huán)形裂縫。橋梁防護(hù)工程的損壞主要表現(xiàn)為錐坡、護(hù)坡的下沉、開(kāi)裂、抹面砂漿的開(kāi)裂、下滑(如黃家河大橋等)。1.4爆炸的調(diào)解和結(jié)構(gòu)的破壞調(diào)治構(gòu)造物在本次地震中受到的損壞較小,并且不影響構(gòu)造物的使用,也不影響橋梁及其他結(jié)構(gòu)的安全。2地震破壞分析本次調(diào)查涉及的橋梁數(shù)量大,型式多,下面按橋梁結(jié)構(gòu)型式,橋梁跨徑、橋墩形式及高度,橋梁平面線型共三個(gè)方面對(duì)震害進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。2.1橋橋整體損壞嚴(yán)重就橋梁結(jié)構(gòu)形式而言,棉廣高速公路上嚴(yán)重的震害主要發(fā)生在梁橋上,震害的產(chǎn)生均基于梁體的橫向、縱向位移,而位移的產(chǎn)生是由于作用于主梁的地震力超過(guò)支座的摩阻力或支座本身強(qiáng)度。在所有震害中,梁橋抗震擋塊的損壞最為嚴(yán)重(圖3)。曲線橋較直線橋損壞嚴(yán)重,斜交橋較正交橋損壞嚴(yán)重,伸縮縫位置抗震擋塊較非伸縮縫位置抗震擋塊損壞嚴(yán)重。橋梁位移的現(xiàn)象很多,因位移造成的橋梁支座損壞也較為普遍,在同一座橋中,設(shè)置伸縮縫的地方位移較其它地方大。其它震害主要是由于梁體位移造成的,其中友于大橋、觀音巖大橋T梁橫隔板出現(xiàn)開(kāi)裂震害,友于大橋濕接縫出現(xiàn)混凝土掉落震害。本次地震使橋梁產(chǎn)生順橋向位移較小,對(duì)梁端、橋臺(tái)等部位基本沒(méi)有造成嚴(yán)重?fù)p壞。橫系梁環(huán)向裂縫主要出現(xiàn)在高墩距地面3m以上系梁與墩柱聯(lián)結(jié)部位,個(gè)別橋梁(跨寶成鐵路1號(hào)橋8、9、10號(hào)墩左幅內(nèi)側(cè)墩柱,劍門河大橋25號(hào)墩1、3號(hào)墩柱,中子大橋)出現(xiàn)墩柱環(huán)向或半環(huán)形裂縫震害,應(yīng)為墩柱薄弱部位在地震力的作用下造成。2.2t梁橋在不同跨徑的部位存在嚴(yán)重構(gòu)造破壞的規(guī)律綿廣高速公路空心板橋梁橋跨徑包括6m、8m、10m、13m、16m、18m、20m、22m、25m、28m、30m、40m、55m幾種,地震對(duì)橋梁造成的損壞主要表現(xiàn)為橋梁防震擋塊的開(kāi)裂,通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律:(1)跨徑≤16m的單孔橋及雙孔橋,16m<跨徑≤20m的單孔橋梁,抗震擋塊損壞很少;(2)上部結(jié)構(gòu)相同、墩柱形式相同、墩柱高度相近的橋梁,隨著跨徑的增大、孔數(shù)的增加,地震造成的震害呈增加趨勢(shì)。綿廣高速T梁橋跨徑主要包括30m、35m、40m三種,地震對(duì)T梁橋造成的損壞主要是T梁間橫向聯(lián)系的破壞,包括橫隔板裂縫、濕接縫混凝土脫落等情況。對(duì)于只設(shè)置端橫隔板的T梁橋,端橫隔板存在開(kāi)裂的情況,局部位置濕接縫混凝土脫落,主要表現(xiàn)在友于大橋。對(duì)于設(shè)置端橫隔梁和中橫隔梁的40m的T梁橋,存在中橫隔板裂縫的現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在觀音巖大橋。本次調(diào)查中,未發(fā)現(xiàn)明顯的墩柱破壞,說(shuō)明橋梁墩柱的剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)較合理,震害相對(duì)嚴(yán)重的出現(xiàn)在10~30m之間墩柱高度的橋梁。2.3彎橋的震害情況彎橋由于曲線半徑、超高等因素,致使地震反應(yīng)復(fù)雜化,分析起來(lái)相對(duì)直線橋復(fù)雜的多。本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn),彎橋的震害基本都是一側(cè)較另一側(cè)嚴(yán)重,大多數(shù)彎橋在曲線內(nèi)側(cè)震害較外側(cè)嚴(yán)重。直線拱橋整體相對(duì)較好,曲線拱橋也只有極個(gè)別橋梁存在輕微震害,其中青云II號(hào)橋,外側(cè)側(cè)墻部分出現(xiàn)表面脫落震害。3地震區(qū)域橋梁的抗衰減對(duì)策3.1近拱圈位置的破壞根據(jù)綿廣高速的調(diào)查資料顯示,綿廣高速公路斜拉橋(涪江四橋主橋)和大部分拱橋未發(fā)現(xiàn)明顯嚴(yán)重震害(除肖家壩大橋、龍洞背大橋拱上立柱下部靠近拱圈位置出現(xiàn)環(huán)向或半環(huán)向裂縫)。在不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁中,梁橋的破壞比拱橋和斜拉橋的破壞嚴(yán)重,整體性較差的裝配式梁(或板)較整體性較好的現(xiàn)澆箱梁破壞嚴(yán)重。這是因?yàn)榇蟛糠终鸷Φ漠a(chǎn)生均基于梁體的橫向、縱向位移,而位移的產(chǎn)生是由于作用于主梁的地震力超過(guò)支座的摩阻力或支座本身強(qiáng)度。所以,在不同的地方,尤其是大的斷裂帶附近或地震分布帶上,盡量采用抗震作用比較強(qiáng)的橋梁結(jié)構(gòu)形式:如斜拉橋、拱橋、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁等。3.2防止梁體橫向位移在橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí),既要允許結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間發(fā)生對(duì)抗震性能有利的相對(duì)運(yùn)動(dòng),以減小構(gòu)件內(nèi)部的地震力,但也要對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移量采取限制措施,以防止主要構(gòu)件之間的連接失效(如落梁等)。從汶川地震對(duì)綿廣高速橋梁的破壞情況看,抗震擋塊雖然大部分遭到破壞,但對(duì)于限制梁體橫向位移,防止落梁和梁底支座脫空起到了至關(guān)重要的作用。因此,橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于不同的橋梁形式應(yīng)采用行之有效的抗震措施,如可以適當(dāng)增強(qiáng)擋塊作用,或采用隔震(如隔震支座)、耗能(如阻尼)裝置等措施。3.3抗震早期施工與抗震防止烈度的關(guān)系橋梁設(shè)計(jì)抗震規(guī)范規(guī)定:在最高等級(jí)的橋梁設(shè)計(jì)中,要求做到“小震不壞,中震能修,大震不倒”。這次汶川地震震中烈度達(dá)到11度,而當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度才7度,抗震設(shè)防烈度偏低。抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與橋梁投資規(guī)模及災(zāi)后重建難易程度之間有一定關(guān)系,如何選擇一個(gè)合理的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),使橋梁投資規(guī)模與結(jié)構(gòu)抗震安全以及震后恢復(fù)重建難易程度之間取得一個(gè)平衡點(diǎn),是工程界值得研究的一個(gè)問(wèn)題。因此應(yīng)加大對(duì)地震地質(zhì)災(zāi)害普查力度,合理地制訂各地區(qū)的抗震設(shè)防烈度。尤其是在我國(guó)幾個(gè)大地震帶發(fā)育的區(qū)域,針對(duì)橋梁工程,特別是一些大型橋梁工程,應(yīng)確定一個(gè)相對(duì)合理的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。3.4斷裂構(gòu)造帶的破壞根據(jù)中科院青藏高原研究所對(duì)汶川地震的分析可知:汶川地震地處四川龍門山地區(qū)。在龍門山斷裂帶內(nèi)主要有三條斷層帶,從北西向南東它們分別為:沿汶川—茂汶的龍門山后山斷裂帶;沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶;沿都江堰—安縣的龍門山山前主邊界斷裂帶。地質(zhì)調(diào)查表明,龍門山構(gòu)造帶的幾條主斷裂帶自晚第四紀(jì)以來(lái)均顯示由北西向南東的逆沖運(yùn)動(dòng),并伴有顯著的右旋走滑分量。單條斷層平均水平位錯(cuò)量與垂直位錯(cuò)量大致相當(dāng),約為1mm/a左右。在長(zhǎng)期的北西—南東方向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下,積累的應(yīng)變能最終以大地震的方式釋放,造成極大破壞。汶川地震中,建設(shè)在斷裂帶上的橋梁損毀嚴(yán)重,大型橋梁工程一旦毀壞將造成難以估計(jì)的損失,修復(fù)起來(lái)也非常困難,所以,大型橋梁工程應(yīng)盡量繞避大的斷裂構(gòu)造帶。斷裂帶上不宜建大的橋梁工程,這個(gè)原則應(yīng)該堅(jiān)持。3.5橋梁工程是重要的線索工程重大的基礎(chǔ)設(shè)施在重大災(zāi)害發(fā)生時(shí),如何避免其系統(tǒng)不遭受重大破壞,以及如何以最快的速度修復(fù)受損設(shè)施,從而把各方面損失減少到最少,成為此次汶川地震災(zāi)后各級(jí)政府部門最關(guān)心的問(wèn)題。地面交通對(duì)于搶救人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全起著至關(guān)重要作用,而橋梁工程若破壞嚴(yán)重,恢復(fù)交通較路基困難得多,從這點(diǎn)來(lái)講,橋梁工程是重要的生命線工程。如何快速的評(píng)估橋梁性能,為緊急救援和災(zāi)后重建提供必要的信息,如何快速加固受損嚴(yán)重橋梁,確?？拐鹁葹?zāi)的交通安全,如何永久加固震后受損橋梁等問(wèn)題,值得我們系統(tǒng)的去研究。4橋梁結(jié)構(gòu)形式的特性通過(guò)對(duì)汶川大地震災(zāi)后橋梁的的震害調(diào)查、檢測(cè)及分析得出如下結(jié)論與建議:(1)這次大地震中大部分橋梁梁體整體狀況較好,地震并未對(duì)其造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性損壞,但由地震造成的橋梁局部損傷較多,對(duì)抗震救災(zāi)中車輛的運(yùn)行帶來(lái)巨大的安全隱患。(2)就橋梁結(jié)構(gòu)形式而言,嚴(yán)重的震害主要發(fā)生在梁橋上;跨徑≤16m的單孔橋及雙孔橋,16m<跨徑≤20m的單孔橋梁,抗震擋塊損壞很少;上部結(jié)構(gòu)相同、墩柱形式相同、墩柱高度相近的橋梁,隨著跨徑的增大、孔數(shù)的增加,地震造成