汶川地震对桥梁结构破坏的影响与 启示.pdf

泣 川地震对桥梁结构破坏的影响与启示 林鹏 黄凯珠 2 李子 昌 郑文炜 周维垣 1 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 北京 10 0084 2 香港理工大学土木与结构工程系 香港 1 引言 我国是一个多地震的国家 地震频率高 强度大且分布范围广 地震灾害会严重威胁人民生命财 产安全 同时也是制约经济建设和社会发展的重要因素之一 地震可造成三方面的灾害 一是造成人 员伤亡和财产损失 二是对人类赖以生存环境造成的破坏 即地震地质灾害 三是对建筑物和桥梁等 的破坏 如 1976年72 8 唐山 7 8级地震 以及之后在距唐山北7 0km的滦县的 7 1级余震 不仅造成 大量房屋建筑倒塌 2 4万余人丧生 而且环绕唐山的道路 铁路线 桥梁以及公用设施受到严重破 坏 大部分桥梁的桥台向河心滑移使桥跨缩短 梁和桥台受挤压 锚栓剪断 给救援工作带来极大困 难 20 08年5月12日14 28 发生在四川省汉川县映秀镇 北纬3 1 0 0 东经 103 4 0 里氏 8 0 级的 地震 具有震级高 震源浅 破坏性强 波及面广 持续时间长 次生地质灾害严重等特点 2一4 震 中最大烈度达X I度 地震导致四川盆地西缘 青藏高原东缘 龙门山断裂带的中央断裂和前山断裂迅 速向北东方向破裂 形成长达近 3O0km 的地震破裂带 同时使龙门山 和四川盆地的边界沿线发生 了 gm多的滑动 汉川 5 12 大地震以及之后的余震触发的地质灾害点有 3万一4万处川 除了大量的地质灾害 造成的居民 工业严重人员伤亡和财产损失 也造成城镇道路交通设施损毁严重 尽管总的来说道路 桥梁 尤其是抗震重点工程如大桥 隧道等 大都经受住了考验 毁灭性破坏的不多 震后较短时间 内绝大多数等级公路实现了 保通 为救灾工作顺利进行 提供了有力保障 但由于地震诱发的泥石 流 滑坡 山体崩塌等次生灾害 也造成了很多桥梁损毁 据交通运输部统计 四川 甘肃 陕西 重庆 云南 湖北 河南等省市 因地震受损的高速公路1 9条 国道 省道干线公路 15 9 条 农村公 路 7605条 道路累计长度5 3 28k 8m 受损的桥梁 5560 座 隧道n o 座 直接经济损失 65 3 0 6亿 元 5 6 本文是在 20 08年8 月随同香港理工大学和四川大学联合震区考察队对震区地质 桥梁 建筑物破 坏现象考察后 对震区地震引起桥梁工程震损的情况进行了调研整理后 的成果 主要结合典型桥梁结 构 对桥梁主要破坏类型及原因 地震对桥梁结构的破坏影响进行分析 最后提出关于桥梁抗震设防 标准 抗震技术 抗震应急措施的建议与启示 供交流讨论 2 主要破坏类型及原因 本次桥梁设施受损情况总的呈现出以下特点 1 拱桥 吊桥 钢结构桥梁抗震性能比混凝土简支梁要好 特别是中小型实腹拱桥受损甚少 灾后基本都在继续使用 他们主要是些轻微破坏 表现为非承重构件有破坏 桥面伸缩缝有变化 梁 基金项目 国家基金委 优秀国家重点实验室研究项目 508 2 3 5 和国家自然科学基金资助项目 107 72095 共 同资助 9 14 注川大地 震工程震 害调查分析与研究 有轻微移动 腹拱柱有细微裂缝 拱身微裂 拱肋与拱波联结处松脱 台墩轻微变位 台脊填土下沉 等 可照常使用 2 桥梁结构 敦台基础有加固处理的损害小 3 古桥损坏比例小于现代桥梁 如北川附近的安县太平桥虽然经历了 1933年的 8 2 5 2008 年 5 1 2 两次大地震 但震后虽桥身 桥墩微有开裂 仍可正常使用 4 次生灾害造成的大桥破坏严重 特别是眠江流域上很多水电工程附近的桥梁破坏严重 如映 秀湾电站尾水出口大桥 5 地震波传递方向对结构影响的差异性明显 6 设 防标准高的桥梁损害较少 下面基于桥梁的五大部件川从桥跨结构破坏 支座破坏 敦台破坏和敦 台基础破坏四个方面进行 破坏原因分析讨论 并进一步阐述本次地震中桥梁的受损特点 2 1 桥跨结构破坏 桥跨结构又称桥孔结构或上部结构 桥跨结构破坏主要体现在落梁现象 落梁是桥梁最严重的震 害现象 如唐山地震发生落梁破坏的大中型梁式桥有1 8座 如胜利桥 滦河公路桥等 这次汉川地震 也造成了很多桥梁出现严重的落梁损害 包括高级公路中的连接大桥 如都汉高速公路上的紫坪铺大 桥 见图 1 下面就百花大桥和小鱼洞大桥进行讨论说明 位于震中的百花大桥 又称牛圈沟高架桥是本次地震桥梁落梁破坏的典型 百花大桥为国道 21 3 线紫坪铺库区淹没段改造工程 距映秀镇约 Zk n i 主桥为预应力混凝土连续梁 引桥为预应力混凝土简 支梁 下部结构均为柱式墩 桩基础 于 200 4 年1 2月建成通车 全长 50 0m 地震后百花大桥垮塌两孔 曲线段整体垮塌 局部平移3 0皿以上 见图2 由于威胁到桥下道路行车 故震后人工爆破拆除 图 1 都汉高速上的紫坪铺大桥图2百花大桥破坏严重 小渔洞大桥 小渔洞大桥位于成都彭州市小渔洞乡 为四跨4 2 m 的多肋上承式刚架拱 小渔洞大 桥垮塌两孔 小渔洞大桥横向平移约 15 c m 见图3 第四篇铁道与公路工程震 害分析与研究 造成这两座桥落梁的主要原因是 1 大桥附近震级高 破坏强 据有关部门在四川 什郁测到的汉川地震主震加速度是 6 3 9 在卧龙绵竹 附近台站测到的最大值达 0 959 附近 的紫坪铺大坝实 测达到坝轴向 2 0 6 9 竖直向 2 0 6 9 顺河 向 1 6 5 9s j 这些巨大的地震力作用使桥梁产生的沿桥轴线的纵向水 平振动和横向振动 使支座破坏 则上部结构很容易从 支承上脱落 2 大桥靠近断裂带 地震造成基础不均匀沉降引 起桥墩 台 的沉降 从而导致落梁 舒翌竺 震生 赘 赘 理轰 般告 坪 中蜜 圣甲 络罢等置斡 图 小鱼洞大桥破坏图 够防止落梁 减少梁体错位 日本 美 国在桥梁连梁装 目 一 一v 1 r I八 因肤 l 国 置方面有诸多研究成果陈 从这次地震看尽管我国有些桥梁已经采用连梁装置 但还缺乏系统深人的 研究 特别是针对类似高地震烈度区的重要道路中的桥梁抗震 更应从实际出发增加桥梁的安全储备 2 2 支座破坏 支座在桥梁当中不太引起注意 但功能却十分重要 它有支承上部结构并传递荷载于桥梁敦台上 保证桥梁上部结构在荷载 包括极端荷载下 温度变化或其他因素作用下所预计的位移功能 地震时 其允许桥梁上部结构在地震荷载下变形 用来防止地震时位移过大而造成落梁 的作用更为明显 这点 对桥梁抗震非常重要 支座破坏也是地震中桥梁上部结构 中最常见的一种破坏现象 本次地震 中 由于强烈地震荷载造成支座受到很大 剪力和变形 这时桥梁上部就会脱离支座 见图4 如 果没有防落梁措施 就可能会产生落梁现象 例如 紫 坪铺水库大桥的落梁 另外与支座的大变形造成相邻梁 互相碰撞或梁 的纵 横 向位移过大 超过支座的极 限 值 也会导致支座破坏 进而导致上部结构破坏 通过本次地震可知桥梁结构的地震反应尤其是支座 剪力及竖 向反力有较大的影响 在高烈度区应予以考 虑 蒋建军等l l 口研究结果也指出 从抗震角度来看 西 部地震区高墩桥梁支座的选型原则是尽量提高结构的刚 度 减小梁体位移和墩顶位移 另外在对支座抗震设计 图 4 地震中支座移位 时 要求支座的锚栓 销钉 防震板等除有足够的抗震 强度外 还要考虑有足够安全的防落梁和隔震支座 在连续梁中 避免使用固定支座 优先采用板式 橡胶支座 以分散地震力和延长振动体系的特征周期 2 3 墩台破坏 墩台破坏包括桥墩和桥 台的破坏 桥台是桥梁两侧岸边的支撑部分 一般桥台是在岸边的原域填土上 用钢筋混凝土修建三角形或 矩形的支台 这是桥梁抵抗地震作用的薄弱部位 因为桥台的路基高且三面临空 振动大 桥 台和下 面土的刚度不同 有相互作用 土体本身在地震中会产生液化 震陷破坏 小鱼洞大桥顺河堤地面由 于地基沙层液化或局部地层 断裂引起局部隆起 长约30 0m 高约 lm 造成拱端基础桥墩不均匀沉 降 滑移土体对桥台产生巨大推力 致使桥台变形 并引发大桥的次拱腿剪坏 见图 5 引发整个大 桥不均匀破坏 在桥面还有剪切裂缝 顺地层断裂方向 见图 3 汉川 大地震工程震害调查分析与研究 桥墩是支撑桥身的主要构件 本次地震中主要包括桥墩的断裂 剪断和裂缝 通常桥墩断裂或剪 切破坏一般却发生在桥墩根部 如图 6所示汉旺官宋硼堰取水枢纽下游的大桥两个桥墩被从根部剪断 其次还有桩柱因埋人深度不够或滑坡等次生灾害石头砸落等原因遭受破坏 如图 7 所示为崛江流域映 秀湾电站尾水出口大桥因电站边坡崩塌后毁坏 在高烈度区或河岸滑移较严重的地方 桥墩发生倾斜 倒塌的现象很多 如图 2所示百花大桥的破坏 就是在震中受双 向地震力作用明显 桥梁曲线本段上 部结构的重心偏离桥墩 附加弯矩作用明显 基础受到强烈滑移后 出现倒塌 从而导致大桥破坏 图 5 小鱼洞大桥次拱腿剪坏 图6汉旺官宋硼堰取水枢纽大桥 图 7 映秀湾电站尾水出口大桥破坏图 由于桥梁结构的塑性变形主要集中在桥墩等下部结构上 桥梁结构的抗震性能与墩柱的动力性能 直接相关 从本次地震桥梁的受损看 研究墩柱的动力性能对研究全桥结构的弹塑性地震反应来说是 非常重要 的 2 4 基础破坏 桥梁基础是保证桥梁敦台安全并将荷载传至地基的结构部分 基础工程在桥梁的施工中不但是较 困难的部分 而且性能好坏直接关系到桥梁的抗震性能 如本次地震中什郁市红 白镇附近 的红东大桥 由于两端基础和路面被地震冲击波拉得四分五裂 造成红东大桥全部坍塌 见图8 此桥呈东西走 向 架设在两山之间 桥长8 0m 桥面距地面 4 0多米 高 由于特殊的地理位置和地形地貌 这座桥成为广青公路上的一个咽喉通道 平时被当地人称之为 出山的生命线 震后桥西侧方圆百公里的地方曾成为无法与外界相通的震区 孤岛 困约万人 从这次地震的震害分布可以看出 场地条件对震害有明显的影响 本次地震造成的桥梁破坏有很 多是因为基础勘测不全面 桥址设置不当 基础加固不当引起的 如小 渔洞大桥桥址区域顺河堤地面 第四篇铁道与公路工程震害分析与研究 局部隆起 造成大桥破坏 又如台湾集集大地震曾由于基础隆起将桥面隆起 8一gm 见图9 若是早 期勘察工作详细深人 发现不 良地质断裂带 应避开断裂带另选场地或者采取相应的抗震措施 提高 抗震标准 在桥梁设计时应保证地震时基础不能产生大 的位移 同时要求建桥不能在跨越活动断层处 选址修建桥梁 图 8 红白镇红东大桥破坏图图 9 台湾集集地震中桥梁隆起 3 桥型与抗震性能分析 这次地震后尽管从目前掌握的情况看拱桥 吊桥 钢结构桥梁抗震性能比混凝土梁桥要好 特别 是中小型实腹拱桥受损甚少 灾后基本都在继续使用 但不能以此就说明拱桥的抗震性能比梁桥好 而是要科学的分析不同桥型其抗震性能的适应性 例如在唐山地震中所收集 16 2 座桥梁中 有1 3 0 座 梁式桥和 3 2座拱桥的震害资料 按桥梁的类别统计 震害矩阵见表户 从表可看出尽管严重破坏中 梁桥比例高于拱桥 但毁坏的拱桥却比梁桥多 其他损害类别的相当 表 1 桥梁震害矩阵 单位 写 毁 坏严重破坏中等破坏轻微破坏 基本完好 梁式桥 18 75 138 5 6 25 1 5 3 8 2 5 0 0 2 6 92 18 7 5 18 46 3 1 25 25 39 这次汉川地震中有许多拱桥表现 出 良好的抗震 性 能 如前面提到的安县太平桥 又如被称作 桥刚强 的四川简阳市沱江一桥 见图10 这座双曲1 7孔拱 桥 总长 69 0m 跨江面的主跨 9孔 引桥 8孔 是简 阳城江上第一座桥 已有 4 0年历史 在此次地震前它 就被有关部 门认为是 带病服役 大地震之后更是被 鉴定为 危桥 需要爆破后重建 然而 7 月2 5 日这 座桥经历 了 38 0kg 炸药的考验 却依旧耸立在沱江之 上 这座地震不跨 爆破不倒的 危桥 被人赞誉为 桥刚强 但也有些拱桥发生了整体垮塌 如小的中法桥 井 田坝大桥等 还有一些拱桥出现不同程度的震害如图 5 所示的小渔洞大。