巴東M 5.1級地震橋梁典型震害分析

張 祎，李 恒，王秋良，馮 謙，李井岡，李 雪

(1.中國地震局地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430071)

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巴東M 5.1級地震橋梁典型震害分析

張 祎1,2，李 恒1,2，王秋良1，馮 謙1,2，李井岡1，李 雪1

(1.中國地震局地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430071)

針對巴東M 5.1級地震受損橋梁，按不同的結構類型，對其震害進行了調查并分析了原因。調查結果表明：除極個別橋梁損毀外，巴東境內橋梁主體結構基本安全，局部修復后可繼續使用。

橋梁工程；巴東地震；山區橋梁；震害；震害防御

0 引 言

2013年12月16日13時4分湖北省巴東縣發生M 5.1級地震，宏觀震中位于東瀼口鎮宋家梁子村，極震區烈度為Ⅶ度。地震波及巴東、秭歸、興山等周邊地區，地震災害主要集中在巴東縣的東瀼口鎮、官渡口鎮、信陵鎮、溪丘灣鄉以及秭歸縣的泄灘鄉、沙鎮溪鎮[1]，本次地震是近40年來湖北省境內最為強烈的一次地震。巴東縣地處湖北省西部，長江三峽中段，居恩施土家族苗族自治州的東北部。縣境內武陵山余脈、巫山山脈、大巴山余脈盤距南北，長江、清江橫貫東西。巴東縣地形狹長，西高東低，南北起伏，地表崎嶇，山巒起伏，峽谷幽深，溝壑縱橫，是典型的喀斯特地貌。最高海拔3 005 m，最大相對高差2 938.2 m。地表平均坡度28.6°，其中25°以上的高山占總面積的66%，地形以山地為主。巴東縣抗震設防烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組[2],按規定該區的公路橋梁都必須進行抗震設計[3]。由于巴東地區經濟欠發達，除重大工程和近年來正規設計、施工的橋梁能達到設防烈度外，境內多數橋梁未設防，且具有設計承載力過低、施工水平質量無保證，資金缺乏或監管不到位等原因造成年久失修等特點。

根據湖北省地震局震害損失評估調查結果，巴東M5.1級地震的烈度分布情況如圖1。

圖1 地震烈度及調查點分布Fig.1 Seismic intensity distribution of Badong M5.1 earthquake

此次地震造成巴東縣境內巴東長江大橋、神龍溪大橋、黑溝大橋、松林灣等20余座既有橋梁受到不同程度的影響。根據湖北省地震局現場工作組對其中12座橋梁的抽樣調查(表1)，作為本次地震宏觀震中的東瀼口鎮橋梁震害相對集中和明顯。對受調查橋梁的結構類型，按拱橋、梁橋以及特殊橋梁3類進行震害機理探討，為今后山區橋梁，特別是山區鄉村橋梁的震害防御提供參考。

表1 橋梁震害調查

1 拱橋震害實例與分析

拱橋是我國公路上使用很廣泛的一種橋梁體系，尤其是山區鄉(鎮)村公路。由于其耐久性好、養護維修費用少，構造簡單，技術成熟等特點，拱橋充分做到就地取材，只要在條件許可的情況下，修建拱橋往往是經濟合理的[4]。在我國鄉村公路橋梁中，圬工拱橋由于能充分發揮圬工材料(石料、混凝土、磚)抗壓性好、抗拉性差的特點，得到了廣泛的應用。本次地震中，拱橋約占受損橋梁的3/4，而巴東縣境內的拱橋占各類橋梁總數的90%以上。

1.1 蹬子石橋

蹬子石橋位于巴東縣東壤口鎮，為實腹石拱橋(圖2)，該類橋剛度大、變形能力差。拱的縱向穩定性遠遠小于橫向穩定性，結構在受到地震慣性荷載和臺背的動土壓力的共同作用下，拱腳最易出現剪切位移和彎曲開裂。地震導致蹬子石橋拱腳及臺背發生破壞并垮塌，拱圈已嚴重破壞，無法繼續使用。

圖2 蹬子石橋部分垮塌Fig.2 Partial collapse of Dengzishi bridge

1.2 宋家梁子一橋

宋家梁子一橋位于巴東縣東壤口鎮宋家梁子村(圖3)，結構形式為空腹式圬工拱橋，直接坐落在剛性地基上。該橋震害表現為近1/4跨徑處的腹拱拱腳發生破壞。推斷其破壞機理為地震作用下拱平面內的基本振型呈現反對稱的兩個波動形式，在拱腳和拱1/4跨產生很大的彎矩，而圬工材料的抗拉性差，受拉條件下極易發生破壞，是結構最薄弱的環節之一。

圖3 宋家梁子一橋腹拱受損Fig.3 Spandrel arch damage of Songjialiangzi bridge

1.3 雷家坪一橋

雷家坪一橋(圖4)位于巴東縣東壤口鎮雷家坪村，為圬工拱橋，平面線形為曲線。震害主要發生在橋臺翼墻部位，由于臺背的動土壓力導致橋臺翼墻的砌體間產生拉應力，由于砂漿抗拉強度低，導致沿砌縫拉裂并向上貫穿至人行道板。

曲線形式的圬工拱橋受地形、建設成本的限制在山區鄉村普遍存在。地震作用下受力狀態極其復雜，定量抗震計算難以實現，因此震害經驗顯得尤為寶貴。

圖4 雷家坪一橋Fig.4 Leijiaping bridge

1.4 黑溝大橋

黑溝大橋(圖5)位于巴東縣官渡口鎮的西壤口村，是官渡口至西壤口公路上跨越黑溝的一座剛架拱橋，黑溝大橋長75 m，上部結構為凈跨60 m的鋼架拱橋，矢跨比1:8，橋面寬9 m。此次地震震害主要表現在兩個方面：①橋面板與橋臺剛度差異大、間距過小，地震時產生順橋向沖擊造成橋面板向橋臺擠壓發生破壞；②伸縮縫位置人行道欄桿卻未斷開，伸縮縫變形時欄桿不能協調變形導致其底部出現拉剪破壞。

圖5 黑溝大橋Fig.5 Heigou bridge

需要指出的是，剛架拱橋是強震區應避免采用的型式[5]。該類型的拱橋雖具有結構輕巧、施工簡便、經濟美觀等優點，但拱肋和斜撐尺寸較小，剛度不足，抗震能力較差，應盡可能采用整體性好、斷面大的板拱和箱拱。

2 梁橋震害實例與分析

梁橋是指結構在垂直荷載下支座只產生垂直反力而無推力的梁式體系橋的總稱[6]。鋼筋混凝土梁橋是鋼筋混凝土結構的一種結構類型，它具有鋼筋混凝土結構的所有特點：成本低、耐久性好、維修費用少、材料可塑性強、整體性好、結構剛度大等特點，主要作為中、小跨徑橋梁使用。巴東縣境內的梁橋約占橋梁總數的5%。

2.1 神龍溪大橋

神龍溪大橋(圖6)位于巴東縣官渡口鎮，跨徑70 m+130 m+70 m，為預應力連續剛構橋，最大墩高96 m，于2001年建成通車。地震使伸縮縫兩側橋面鋪裝層出現壓裂縫；欄桿整體出現位錯，小部份欄桿扶手裂縫貫通、露筋，局部橫檔掉落。橋墩、橋臺主體結果基本完好，未發現新裂縫產生。

圖6 神龍溪大橋Fig.6 Railing damage of Shenlongxi bridge

伸縮縫兩側的橋面鋪裝不僅受橋梁振動影響，對溫度也較敏感，橋面板與鋪裝層之間的變形本身就難以協調，再加材料的疲勞損傷以及超載損傷，該位置極易產生裂縫，地震通常只是該部位裂縫產生的誘因。此裂縫雖對橋梁使用性能造成影響，但基本不對結構安全性造成威脅。

欄桿的破壞主要因扶手、橫檔、底座三者變形差異引起的。從現場調查情況來看，欄桿設計上欠合理，主要體現在：①扶手斷開位置底座卻連續；②底座斷開位置扶手卻連續；③橫檔鋼筋錨固長度不足。

2.2 松林灣橋

松林灣橋(圖7)位于巴東縣東壤口鎮舊縣坪村，為板梁橋，邊跨肋板與橋臺整體澆注，地震使邊跨肋板與橋臺交接處出現裂縫，該裂縫造成混凝土保護層的破壞，但并未向深部發展。從其裂紋形態和尺寸來看，可能是由一種或多種原因共同造成，包括肋板與橋臺整體澆筑形成的截面突變，地震作用下引起應力集中；混凝土等級低、施工方法不當、養護不到位等原因。除此之外，松林灣橋邊跨梁與引橋梁之間高度不同且間距明顯不足。若發生更大震級地震時兩梁間發生順橋向沖擊，極易造成橋梁破壞，這種設計不利于抗震[7]。

圖7 松林灣橋Fig.7 Songlinwan bridge

3 特殊橋梁震害實例與分析

巴東長江大橋主橋為雙塔斜拉橋。斜拉橋屬組合體系橋梁，為多次超靜定結構，梁體尺寸較小，橋梁的跨越能力大，橋下凈空和橋面標高的限制小，抗風穩定性較好，常作為大跨徑橋梁方案。

該橋位于巴東縣新城區，北岸臨近神農溪入口，2004年7月2日建成通車。主橋為雙塔雙索面預應力混凝土梁斜拉橋，橋型布置為工型組合梁4×40 m+斜拉橋170 m+388 m+170 m，全橋長908 m。斜拉橋的混凝土主梁全寬22 m，邊跨肋高2.5 m，主跨肋高2.72 m，頂板厚32 cm。采用A型索塔，北塔高218 m，南塔高213 m，高強平行鋼絲斜拉索。

此次地震造成巴東長江大橋出現以下病害(圖8)：北岸引橋1號墩帽位置出現約10條豎向裂縫，最長約94 cm，東側裂縫寬度大于西側，東側一般0.1～0.25 mm，西側一般0.02～0.05 mm。上述裂縫的成因主要為地震在墩帽處所引起的慣性力與重力方向相一致時，對墩帽產生剪切作用。東側裂縫寬度大于西側的原因尚待深入研究，與震中的距離遠近可能是原因之一。地震造成的橫向位移還使得T梁與擋塊碰撞產生局部擠壓破壞。

圖8 巴東長江大橋主要病害Fig.8 Damages of Badong Changjiang bridge

調查中還發現1號墩支座有老化開裂的現象。橋梁支座既承擔著上部結構與墩、柱連接并傳遞受力和變形的重要作用，又是橋梁抗震的薄弱環節。以往的橋梁震害實例中，支座的破壞比較普遍，相鄰梁間的碰撞或梁的縱、橫向位移，大多數都是以支座破壞為前導[8]。破壞性地震發生時，支座承受極大的剪力和變形，導致上部結構脫離支座，發生嚴重震害，所以支座必須定期檢查、及時更換。

4 結 論

1)總體來說，巴東縣境內除極個別橋梁因年久失修損毀嚴重外，其余橋梁基本經受住了此次地震的考驗，經簡單修護和加固后可繼續使用。

2)鄉村橋梁絕大多數未經抗震設計，而鄉村橋梁又被規范定義為重要性程度不高的橋梁，所以自然不受重視。這些鄉村橋梁往往又是抗震救災生命線工程的重要“節點”，具有不可替代性，一旦損毀導致道路阻斷，救災人員、機械及物資無法及時進入到災區，其造成的損失有時不可估量。橋梁的重要程度分類不應只以道路等級或跨徑來區分，還應充分考慮其在生命線中的地位，在考慮經濟性的同時，還須具備一定的抗震能力。

3)除了此次地震山區橋梁表現出的上部結構震害現象外，山區橋梁多坐落于岸坡(有時甚至直接坐落于滑坡體上，即所謂的抗震危險地段)。地震可能引發大規模的滑坡、崩塌，對橋臺和基礎產生很大的動土壓力，再加上山區地形特征對局部地面運動有很大影響，地形引起的地震動放大效應又加重山區橋梁的震害。地震中由此引起地基失效帶來的橋梁垮塌也應引起足夠重視。

4)因橋梁損毀導致救災工作重大損失的教訓在歷次破壞性大震中不斷上演，在重視新建橋梁抗震設計的同時，更要充分認識現有橋梁新舊并存，抗震能力差異巨大這一客觀事實。重視地震有識別結構薄弱點的習性，在這些位置會發生集中破壞。針對山區橋梁特點，分類進行深入的震害機理研究、系統研究抗震性能的評估方法和配套的加固補強措施，使得未經抗震設計或抗震設防水平偏低的鄉村橋梁至少能達到當地的抗震設防標準，相應規范的形成與實施迫在眉睫。

[1] 湖北省地震局. 2013年12月16日湖北省巴東縣M5.1級地震災害直接損失評估報告[R]. 武漢：湖北省地震局，2013：10-18. Hubei Earthquake Administration.Disaster Damage Assessment Report of Badong M5.1 Earthquake on Dec.16, 2013[R]. Wuhan: Earthquake Administration of Hubei Province,2013.

[2] GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010. GB 50011—2010 Code for Seismic Design of Buildings[S]. Beijing：China Architecture & Building Press,2010.

[3] JTG/T B 02-01—2008 公路橋梁抗震設計細則[S]. 北京：人民交通出版社,2008. JTG/T B 02-01—2008 Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges[S]. Beijing: China Communications Press,2008.

[4] 顧安邦. 橋梁工程:下冊[M]. 北京：人民交通出版社,2000:1-6. Gu Anbang. Bridge Engineering:Vol.2[M]. Beijing: China Communications Press,2000:1-6.

[5] 趙國輝，劉健新. 汶川地震橋梁震害分析及抗震設計啟示[J]. 震害防御技術,2008,3(4):363-368. Zhao Guohui, Liu Jianxin. Bridge damage analysis and enlightenment in seismic design of Wenchuan earthquake[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention,2008,3(4):363-368.

[6] 范立礎. 橋梁工程:上冊[M]. 北京：人民交通出版社,2001:63-72. Fan Lichu. Bridge Engineering:Vol.1[M]. Beijing: China Communications Press,2001:63-72.

[7] 蒙云，盧波. 橋梁加固與改造[M]. 北京：人民交通出版社,2004:188-191. Meng Yun, Lu Bo. Bridge Strengthening and Rehabilitation[M]. Beijing: China Communications Press,2004:188-191.

[8] 張祎，馮謙，黃滔，從汶川地震典型橋梁震害談橋梁抗震對策[J].建筑結構,2010,40(1):153-158. Zhang Yi, Feng Qian, Huang Tao. Talking about seismic countermeasure from bridge damage in Wenchuan earthquake[J]. Journal of Biomathematics,2010,40(1):153-158.

Typical Damage Analysis of Bridges During Badong M5.1 Earthquake

Zhang Yi1,2, Li Heng1,2, Wang Qiuliang1, Feng Qian1,2, Li Jinggang1, Li Xue1

(1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, Wuhan 430071, Hubei, China; 2. Wuhan Institute of Earthquake Engineering, Wuhan 430071, Hubei, China)

The seismic damage of different types of bridges was investigated and roughly analyzed during Badong M5.1 earthquake. The survey results show except a very few bridges were destroyed, the main structures of the bridges had basic security in Badong area, and they could continue to be used after local repairs.

bridge engineering;Badong earthquake; mountain bridge; seismic damage; seismic disaster prevention

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.05

2014-04-02；

2014-06-22

中國地震局地震研究所所長基金資助項目(IS200956051)

張 祎(1984—)，男，四川自貢人，工程師，碩士，主要從事地震災害防御和土動力學方面的研究。E-mail:zhangyi@eqhb.gov.cn。

U442.5

A

1674-0696(2015)02-020-04