汶川地震對大型橋梁破壞模式的影響

汶川地震對大型橋梁破壞模式的影響

公路、橋梁破壞“5.12”是中國民主革命時期四川8.0級地震的最大一次地震。這次地震主要有以下幾個特點:震級大、震源淺、波及范圍廣、工程震害及次生災(zāi)害嚴重。同時,由于橋梁毀壞、山體滑坡和墜石造成了道路阻斷,大大增加了地震應(yīng)急救援的難度。汶川地震及引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流等次生災(zāi)害,使阿壩、綿陽、廣元、成都、德陽、雅安等市(州)交通基礎(chǔ)設(shè)施嚴重損毀,汶川、茂縣、北川、青川、平武、臥龍等縣(區(qū))和震中地區(qū)多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對外交通一度完全中斷,部分路段遭到了根本和永久性的破壞。地震造成G108、G212、G213、G317、G318線5條國道和S105、S106、S205、S210、S211、S301、S302、S303、S305、S306線10條省道等干線公路嚴重受損和斷道,橋梁損壞1177座,共計61353延米。沿發(fā)震斷層附近的廟子坪大橋、百花大橋、小漁洞大橋、石蓑衣大橋和回瀾立交橋等破壞、損毀尤其嚴重。這幾座橋梁距離主發(fā)震斷層或前山斷裂均在20km范圍內(nèi),如圖1所示。本文通過對上述幾座大橋震害現(xiàn)場的考察,初步分析了大橋的震害特征和機理,以期為提高地震高烈度地區(qū)近斷層橋梁抗震設(shè)計提供參考。1主橋橋墩與引橋破壞廟子坪大橋(圖2)位于都江堰-汶川高速公路橫跨紫坪鋪水庫段,主橋為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋,引橋為連續(xù)梁橋,全橋長1436m。主橋部分跨度組合為125m+220m+125m,主墩高達102.47m,其中水下深度80m,采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ),深60m;主橋橋墩采用薄壁空心墩;引橋共5聯(lián):2×50+5×50+4×50+4×50+4×50,采用連續(xù)梁橋,截面為組合“T”型梁,全橋共設(shè)7道伸縮縫。大橋距離震中直線距離約為13km(斷層距也是約為13km),震前主體結(jié)構(gòu)基本完工。由于距離震中和斷層很近,地震動強度大、持續(xù)時間長,超出橋梁抗震設(shè)防水平,造成引橋一跨落梁、主橋與引橋結(jié)合部處伸縮縫破壞、橋面附屬構(gòu)件破壞等。從結(jié)構(gòu)自身看,由于主橋和引橋?qū)儆诓煌Y(jié)構(gòu)形式,橋墩高度差異明顯,主、引橋的自振特征存在明顯差異,地震發(fā)生時,全橋縱向地震反應(yīng)劇烈,主橋與引橋在結(jié)合部(6號墩頂伸縮縫)產(chǎn)生碰撞,造成伸縮縫破壞和護欄破壞;擋塊橫向約束失效,產(chǎn)生較大殘余位移(圖4和圖5);縱向強烈的地震反應(yīng)還引發(fā)第11號墩上部伸縮縫產(chǎn)生較大變位,致使支座和約束擋塊失效落梁(圖3和圖4)。2墩柱破壞與結(jié)構(gòu)破壞機理百花大橋長約500m,高度約30.5m,是國道213線紫坪鋪庫區(qū)淹沒段改造工程,距映秀鎮(zhèn)約2km,于2004年12月建成通車。百花大橋是一座高架曲線橋,邊跨曲線橋段呈90°弧形,上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)曲線梁,下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩;盆式橡膠支座。百花大橋是距離震中最近的一座大型高架橋。地震時,邊跨曲線橋段垮塌、折斷(圖6),橋墩折斷多處,鋼筋將混凝土剝落(圖7—圖9);其余殘橋整體向岷江江心傾斜(圖10),多數(shù)墩柱礅底屈服或剪切破壞(圖12、13),柱間系梁節(jié)點破壞嚴重(圖11),頂部支座失效產(chǎn)生過大水平移位(圖11);墩柱底與周圍軟土產(chǎn)生較大殘余變形;同時,橋邊山體發(fā)生滑坡、大塊墜石撞擊橋墩多見;地表產(chǎn)生大的裂縫(最大寬度30cm左右,圖14)通過落梁橋段。由于百花大橋距離震中很近以及斷層從橋下通過,墩高差異導(dǎo)致彎橋段受地震慣性力作用復(fù)雜,彎扭耦合效應(yīng)明顯;過大的慣性力導(dǎo)致支座約束失效,梁-柱產(chǎn)生較大的相對滑移,導(dǎo)致橋墩底或中間系梁結(jié)合部屈服破壞,最終導(dǎo)致支撐不足發(fā)生落梁,質(zhì)量巨大的梁體對高柔的橋墩產(chǎn)生巨大的沖擊作用,砸壞橋墩,導(dǎo)致橋墩多處折斷。從折斷橋墩的配筋情況看,該橋橋墩主筋采用的是Φ25的二級鋼筋,間距超過15cm,箍筋采用的是Φ8的一級鋼筋,箍筋加密區(qū)間距超過10cm,橋墩延性相對不足。除了地震作用過大的因素外,局部場地也是其中一個因素。該橋橋臺基礎(chǔ)為較好的山坡基巖,而中間橋跨基本位于江中沖擊形成的軟土區(qū),由于地表破裂及殘余變位導(dǎo)致江中各墩與地基產(chǎn)生較大殘余位移,橋體(殘余部分)整體向江心傾斜明顯。從結(jié)構(gòu)本身來看,防落梁構(gòu)造措施偏于薄弱,落梁段未見柱頂設(shè)置蓋梁和擋塊,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)變位完全由支座承擔(dān),支座約束變位能力不足,從而造成整體落梁。墩柱彎曲破壞與剪切破壞多見。此外,由于附近山體滑坡、墜石對正在振動的結(jié)構(gòu)的沖撞作用或許也是加劇結(jié)構(gòu)整體破壞的一個次要因素。由此可見,該橋的破壞存在多方面原因,但主要原因還是斷層通過、曲線橋段不利的彎、扭耦合受力機制以及防落梁措施相對不足等。3結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)狀小漁洞大橋位于彭州市小漁洞鎮(zhèn),是連接成都-銀廠溝旅游區(qū)的唯一通道。該橋為4跨鋼筋混凝土剛架拱橋,該橋總長187m。地震時,有一斷層在該橋路基側(cè)通過,并引起路基嚴重破裂(圖15)。該橋在河右岸的兩跨橋梁完全垮塌(圖16、17),橋墩傾斜角度約20°左右(圖18);河左岸邊跨剛架與主拱架跟部剪斷,邊跨坍塌被下部卵石砌筑河岸支撐,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)未完全坍塌(圖19);殘余拱因墩臺縱向變位而產(chǎn)生豎向彎曲(圖20)。橋臺撞擊痕跡明顯,胸墻開裂嚴重,胸墻后路基錯動、塌落嚴重,剛性路面板嚴重破裂、隆起;制動墩水平裂縫明顯。由于地震時附近有斷層通過,縱向地震作用大,橋臺后路基、地基失效后,縱向殘余變位明顯,造成拱肋承受彎曲-剪切作用過大,發(fā)生脆性破壞。4跨鋼筋混凝土綜合結(jié)構(gòu)橋結(jié)構(gòu)石蓑衣大橋位于北川縣城,一端連接縣城,另一端通向龍尾隧道。該橋為一(11×10)m跨鋼筋混凝土簡支梁橋,寬7.5m,橋墩為雙柱式橋墩。該橋隧道側(cè)第三、第四跨橋墩橫向傾斜、斷裂;由于地震作用強烈,蓋梁檔塊橫向約束失效,上部結(jié)構(gòu)整體橫向殘余位移嚴重,錯位約為1m,部分橋面落梁(圖21)。5縮縫破壞表現(xiàn)該橋位于四川綿竹市,為城市立交橋,由主橋和環(huán)形匝道橋組成。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,橋墩采用獨柱墩。主橋的破壞主要表現(xiàn)為:伸縮縫破壞,主梁間及主梁與橋臺間碰撞、擠壓、錯動明顯;支座破壞,鏍栓剪斷,支座殘余變形嚴重;主墩水平裂縫;主梁橫向錯位,最大可達10cm(圖22)。環(huán)形匝橋的破壞主要表現(xiàn)為:整體錯位嚴重,與橋臺縱向錯動超過15cm,與主橋橫向錯動超過10cm;支座破壞;固定墩嚴重破壞,主要表現(xiàn)為矮墩剪切破壞;簡支墩基本完好,但上部支座螺栓剪斷或拔出,橡膠墊水平殘余變形明顯(圖23)。6跨橋梁方面通過上述幾座橋梁震害現(xiàn)場的實地考察與分析,可得出如下初步結(jié)論:(1)地震動強度超出橋梁原設(shè)防水平及近斷層地震動特性影響導(dǎo)致上述幾座橋梁嚴重毀壞。本次地震震級大(8.0級)、震源淺(10—20km)、地震動峰值加速度大、強震持續(xù)時間過長。這幾座橋梁所在區(qū)的地震烈度分布為Ⅸ度—Ⅺ度,大大超出了原抗震設(shè)計設(shè)防水平(基本設(shè)防烈度Ⅶ度)。近斷層地震動的方向特征、斷層錯動、長周期速度脈沖效應(yīng)(李小軍,2001;劉啟方等,2006)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移和變形。此外,在靠近震中或斷層位置,豎向地震動加速度相對較大,對大跨度橋梁產(chǎn)生不利影響。(2)對于簡支梁橋或橋面簡易連續(xù)梁橋,梁間撞擊破壞和落梁是常見的震害現(xiàn)象。落梁包括順橋向落梁和橫橋向落梁:順橋向落梁主要由上部結(jié)構(gòu)位移過大、鄰梁撞擊、支座檔塊約束失效引起;橫橋向落梁主要由擋塊約束失效、梁格間整體性能差引起。設(shè)置有效的防落梁裝置和防撞、減撞裝置,并增大擋塊順橋向和橫橋向的約束強度和梁-墩搭接長度是防止落梁發(fā)生的必要措施(周國良等,2006)。對于橋面簡易連續(xù)梁橋,增大相鄰梁的連接剛度可避免落梁或減小落梁的可能性。(3)高烈度區(qū)近斷層處曲線橋受力復(fù)雜,地震作用下彎、扭耦合效應(yīng)明顯。支座因受拉產(chǎn)生破壞的可能性加大,采用抗彎扭效應(yīng)較好的上部主梁結(jié)構(gòu)形式并設(shè)置有效的防落梁裝置,可減輕曲線橋梁震害。(4)橋墩的延性不足導(dǎo)致破壞仍是普遍的現(xiàn)象。高烈度區(qū)橋梁,應(yīng)增強關(guān)鍵受力橋墩墩底、連梁連接部位、墩頂?shù)汝P(guān)鍵部位的箍筋強度、密度,提高橋墩延性性能,防止脆性破壞。(5)震區(qū)地形復(fù)雜多變,河谷、群山交錯分布,場地土分布復(fù)雜,場地效應(yīng)尤其是場地地形效應(yīng)明顯,橋墩各場點處地震動激勵并不一致