震害調(diào)查分析和經(jīng)濟(jì)有效的橋梁抗震措施

李 良，王 澤，賈宏宇，王文奇,4,田榮燕,王寵惠

(1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 四川成都 610081； 2.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川成都 610039；3.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉山 6142023； 4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610039；5.西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏拉薩 850000； 6.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安 710064)

震害調(diào)查分析和經(jīng)濟(jì)有效的橋梁抗震措施

李 良1，王 澤2，賈宏宇3，王文奇2,4,田榮燕5,王寵惠6

(1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 四川成都 610081； 2.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川成都 610039；3.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉山 6142023； 4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610039；5.西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏拉薩 850000； 6.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安 710064)

為了總結(jié)汶川地震橋梁的震害特點(diǎn)并分析其原因，通過地震震害調(diào)查并分析原因以及對震害大小影響的因素。發(fā)現(xiàn)我國橋梁抗震有些經(jīng)驗(yàn)值得推廣，可以為更加經(jīng)濟(jì)有效的橋梁抗震措施提供依據(jù)。板式橡膠支座和主梁縱向連接方式普遍采用橋面連續(xù)，使得我國抗震效果較好。拱橋抵御落石的能力強(qiáng)，注意主拱保持彈性，橫撐剛度不宜過大，選擇在地震條件下穩(wěn)定的地基。橋梁引橋不宜過長。

震害調(diào)查 ； 震害分析； 經(jīng)濟(jì)有效； 抗震措施

汶川地震導(dǎo)致地震災(zāi)區(qū)大量公路橋梁受損，尤其是位于汶川縣、北川縣及附近的都江堰市等十個市縣出現(xiàn)了大量嚴(yán)重破壞或損毀的橋梁[1]。地震造成了大量的交通設(shè)施受損，部分橋梁損毀，極大地影響抗震救災(zāi)[2]。地震發(fā)生后通往汶川、茂縣、北川、青川、平武等重災(zāi)縣和其他254個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的公路交通一度完全中斷,給受災(zāi)地區(qū)的救援帶來極大的困難。震后3個月后仍有3條國省主干線未搶通[3]。

汶川地震橋梁震害主要是整體垮塌、落梁、梁體移位和碰撞，擋塊和橋墩的剪切破壞[4]。道路通過近場區(qū)或極震區(qū)，橋梁的震害最為嚴(yán)重，其次嚴(yán)重的為路基和隧道[5]。

在汶川地震中，次生災(zāi)害對橋梁的破壞巨大，是極重災(zāi)區(qū)的橋梁破壞的一個主要的原因[3]。汶川地震觸發(fā)的滑坡、泥石流多達(dá)4～5萬處，規(guī)模最大的大光包滑坡，是目前有記載的全世界規(guī)模最大地震觸發(fā)的滑坡，體積達(dá)7.5億m3左右，形成的滑坡壩高達(dá)690 m[6]。可以想象，如此大規(guī)模的次生災(zāi)害對附近的橋梁等工程設(shè)施的威脅。川西地區(qū)由于山高坡陡，一旦地震發(fā)生，震后長時間次生災(zāi)害頻發(fā)，容易造成再建和修復(fù)后橋梁的新的破壞。

由于震區(qū)地方經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平有限，完全采用造價高的抗震措施有一定的現(xiàn)實(shí)困難。部分地區(qū)設(shè)計和施工力量相對薄弱，太復(fù)雜或者新穎的抗震措施應(yīng)用有一定的困難。本文分析汶川地震造成橋梁震害特點(diǎn)和類型，研究因地制宜地采用技術(shù)有效、經(jīng)濟(jì)合理的抗震措施。

1 汶川地震橋梁震害調(diào)查

1.1 直接震害

公路通過平原和丘陵區(qū)，橋梁震害是直接震害，即結(jié)構(gòu)物的直接破壞為主[5]。橋梁直接震害的主要的表現(xiàn)，全橋垮塌、梁式橋主梁和支座移位、支座變形、主梁落梁、橋墩受損拱[1]。從實(shí)際地震烈度和橋梁規(guī)模等因素來看，簡支梁橋規(guī)模越大、橋位區(qū)實(shí)際地震烈度越高，橋梁發(fā)生震害的概率也就越大[1]。總體上說上部結(jié)構(gòu)震害相對嚴(yán)重，橋墩破壞率較低。

拱橋主要是橋主拱受損、拱橋橫向連接系受損、拱上建筑震害[1]。震害形式主要是主拱的震害以及拱上建筑震害。

1.2 間接震害

汶川地震中，橋梁的間接震害表現(xiàn)為：山體垮塌、滑坡砸毀或掩埋橋梁、泥石流沖毀橋梁、堰塞湖淹沒橋梁等[1]。被崩塌體砸斷的徹底關(guān)大橋如圖1所示。

圖1 岷江上的徹底關(guān)大橋被崩塌體砸斷

2009年7月25日4時10分左右，213國道都汶路發(fā)生山體垮塌，震后重建的徹底關(guān)大橋橋墩再次被山上飛下的一塊約50 t重的巨石砸斷，60 m長的橋面坍塌在河岸上，7輛汽車墜下大橋，都汶路中斷。搶通方案是調(diào)運(yùn)大量土石，直接填埋在垮塌的橋面橋墩上，作為路基一直向上墊高，直至鋪設(shè)到橋面高度，與完好部分的橋面相連。

公路通過高山峽谷區(qū)，橋梁極易受到上方山體崩滑、泥石流爆發(fā)等地震觸發(fā)的山地災(zāi)害的影響，其震害類型很大程度上是地震觸發(fā)或誘發(fā)的山地災(zāi)害所造成的，存在一定比例的間接震害[5]。比如儲集水量達(dá)2.12億m3的唐家山堰塞湖，曾經(jīng)對下游68 km處的寶成鐵路涪江大橋的安全形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，經(jīng)加固奮戰(zhàn)，才保證了大橋的安全。

2 汶川地震橋梁震害分析

2.1 直接震害

不同規(guī)模的橋梁破壞程度不同，特大橋和大橋的破壞比中小橋嚴(yán)重[1]。橋梁抗震很大程度上主要是依靠橋臺的約束，特大橋和大橋的橋臺約束比較有限。

單跨橋整跨的主梁移位，多跨橋整聯(lián)的主梁移位，即使對于橫向位移較大甚至出現(xiàn)橫向落梁震害的橋梁，在一聯(lián)之內(nèi)主梁也基本保持順直[2]。這是由于我國橋梁普遍采用板式橡膠支座，使得橋梁表現(xiàn)出與國外橋梁不同的震害特點(diǎn)。與國外橋梁相比，我國橋墩震害較小主要原因也是采用了隔震性能良好的板式橡膠支座。

小半徑曲線梁橋現(xiàn)在也比較多見。在汶川地震中，百花大橋等小半徑曲線梁橋發(fā)生垮塌、橋墩毀損等嚴(yán)重破壞。破壞原因最大可能是牛腿處支承寬度不足且缺少縱向、豎向限位裝置，導(dǎo)致首先發(fā)生落梁；其次可能是薄弱的系梁、橋墩及細(xì)部構(gòu)造引發(fā)[7]。

鋼筋混凝土拱橋抗震表現(xiàn)優(yōu)于圬工拱橋[1]。圬工拱橋的破壞有一定的極端性，要么不毀壞，要么毀壞嚴(yán)重甚至全橋垮塌[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)拱橋的拱上建筑是易損結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)楦构昂蜋M墻等拱上建筑是多次超靜定結(jié)構(gòu)，同時圬工材料抗裂性差造成的。

2.2 間接震害

完全震毀或失效的橋梁大部分都是由于山體崩塌、堰塞湖等次生地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的。52座完全震毀或失效的橋梁，有40座橋梁是由于次生災(zāi)害造成的，占到了76.9%[1]。地震的次生災(zāi)害(山體滑坡和崩塌)對離山較近的橋梁(尤其是高陡邊坡下的)損害較大[8]。唐家山堰塞湖造成了22座橋梁被淹沒或被掩埋，重新露出水面后也已經(jīng)失效。圖2是堰塞湖淹沒的巴郎河中橋。

圖2 巴郎河中橋被堰塞湖淹沒

汶川地震中受地震地質(zhì)災(zāi)害影響的橋梁共計58座，主要分布于映秀至清平北東30 km、龍門山中央斷裂帶與后山斷裂帶之間區(qū)域內(nèi)[2]。由于地震的“上盤效應(yīng)”，有50座橋梁位于地震主斷裂的上盤，比例高達(dá)86.2 %。地貌均為高陡斜坡，容易造成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

3 經(jīng)濟(jì)有效的橋梁抗震措施

汶川地震橋梁震害調(diào)查和分析給我們的啟示：

(1)對于高烈度地區(qū)抗震控制設(shè)計的橋梁，采用減隔震支座的可以很好地解決工程難題，達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的既定抗震設(shè)防目標(biāo)[9]。由于板式橡膠支座經(jīng)濟(jì)性比鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座好得多，特別適合山區(qū)經(jīng)濟(jì)水平有限的地區(qū)。同時板式橡膠支座能夠有效地釋放地震作用，有效地保護(hù)橋墩，可謂經(jīng)濟(jì)有效的抗震措施，也是我國地震災(zāi)區(qū)橋梁抗震效果好的一個原因。

(2)構(gòu)造方式來解決抗震問題一般比較經(jīng)濟(jì)，我國主梁縱向連接方式普遍采用橋面連續(xù)，有效地增加了支座對主梁變形的約束，協(xié)調(diào)了主梁各跨的位移，值得推廣。

(3)對于兩岸條件良好，尤其是兩側(cè)邊坡存在潛在地質(zhì)災(zāi)害的情況，建議采用拱橋，增強(qiáng)橋梁抵御落石的能力[4]。

(4)拱橋抗震要注意主拱保持彈性，橫撐剛度不宜過大，應(yīng)遵循“強(qiáng)拱弱撐”的原則。要注意選擇在地震條件下穩(wěn)定的地基。

(5)橋臺的限位作用對于橋長200 m以內(nèi)的橋梁是有效的。對于流水量不大的橋梁，不要采用過長的引橋。有崩塌風(fēng)險的地區(qū)尤其要注意橋梁的引橋不宜過長，采用路堤形式震后搶通修復(fù)容易。

(6)地震地質(zhì)災(zāi)害對橋梁影響嚴(yán)重的巖性為硬質(zhì)巖，這與傳統(tǒng)教科書說法恰好相反。由于地震能量在硬巖中衰減慢。由此對于橋梁抗震有了新的認(rèn)識，橋墩基礎(chǔ)不一定要加長到基巖為止。

4 結(jié)論

(1)通過地震震害調(diào)查并分析震害產(chǎn)生的原因以及對震害大小影響的因素，發(fā)現(xiàn)我國橋梁抗震有些經(jīng)驗(yàn)值得推廣，為采取更加經(jīng)濟(jì)有效的橋梁抗震措施提供依據(jù)。

(2)板式橡膠支座能夠有效地釋放地震作用，是經(jīng)濟(jì)有效的抗震措施，主梁縱向連接方式普遍采用橋面連續(xù)，使得我國抗震效果較好，值得推廣。

(3)拱橋抵御落石的能力強(qiáng)，在落石風(fēng)險的地區(qū)有推廣價值。拱橋注意主拱保持彈性，橫撐剛度不宜過大，選擇在地震條件下穩(wěn)定的地基。

(4)從增強(qiáng)橋臺約束作用和減少崩塌落石震害的角度說，橋梁引橋不宜過長。

(5)由于地震能量在硬巖中衰減慢，對橋梁影響嚴(yán)重的巖性為硬質(zhì)巖，由此對于橋梁抗震有了新的認(rèn)識，橋墩基礎(chǔ)不一定要加長到基巖為止。

[1] 陳樂生,莊衛(wèi)林，趙河清，等.汶川地震公路震害調(diào)查(橋梁)[M].北京：人民交通出版社，2012:14.

[2] 莊衛(wèi)林，陳樂生.汶川地震公路震害分析(橋梁與隧道)[M].北京：人民交通出版社，2013:3.

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308465)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2682014CX004EM)；西藏自治區(qū)科技廳重點(diǎn)科技計劃項(xiàng)目(Z2014A19G2-11)。

李良(1976～)，男，工程師，研究方向?yàn)榈缆饭こ蹋煌鯘?1980～)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>

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[定稿日期]2014-12-05