5.12汶川地震公路桥梁震害初步分析及对策

“5.12”汶川地震公路桥梁震害初步分析及对策二OO九年八月十五日成都四川省交通厅公路规划勘察设计研究院庄卫林1.汶川地震概况2.公路桥梁震害综述3.公路桥梁典型震害4.百花大桥震害初步分析5.桥梁震害的启示与对策6.交通部目前正在开展的有关桥梁抗震研究工作1、“5.12”汶川地震概况2008年5月12日14点28分，四川省汶川县发生8.0级特大地震，一瞬间，地动山摇、山崩地裂，造成了巨大灾难。成千上万的人在瞬间被夺去生命，成千上万的家庭在瞬间失去亲人，成千上万的群众在瞬间无家可归。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震，重灾区的范围超过10万平方公里，除受损极严重的四川外，较为严重还有甘肃、陕西的部分地区，其他如重庆、云南等地也受到不同程度的影响。死亡及失踪人数超过8.7万人。震后的映秀映秀菜杆子村北川青川汉旺镇地震破裂带推测破裂带汶川地震发震于龙门山中央断裂带（北川—映秀断裂），为逆冲右旋走滑运动，起震点为映秀，地震主震破裂时间80秒，破裂长度约300Km，宽度达30～40Km，最大烈度达11度，受灾极重地区为从映秀－北川－青川方向的带状区域。汶川地震震源特点汶川地震实际烈度分布图等值线图，最大烈度达11度，特点是带状分布。震中位于汶川县映秀镇蔡杠子村（北纬31度，东经103.4度）“5.12”地震发震位置映秀震中照片地震破裂带在断层面上错动分布是不均匀的，呈现两个集中区，在地面上的投影分别对应映秀和北川附近。在映秀附近山前主边界断层深度9.1Km处最大错动量为516cm，在中央主断层深度15.5Km处最大错动量为1249cm；在北川附近中央主断层深度3.6Km处和深度10.3km处最大错距分别高达1043cm和1200cm。这一结果解释了映秀和北川地面破坏程度最剧烈的原因。灾区公路遭受严重破坏，造成通往灾区的公路交通一度完全中断，除山体崩塌等地质灾害中断公路外，控制性工程——桥梁的严重损坏也是公路中断的原因之一，桥梁在此次地震中遭受了巨大的破坏。极震区公路网受损概况四川省受灾公路示意图极震区公路网受损概况全国直接经济损失8451亿，直接震害损失占2/3，滑坡、泥石流、崩塌等间接震害损失占1/3。四川交通基础设施直接经济损失达580亿元，一些路段全面损毁，造成毁灭性、根本性破坏。1.汶川地震概况2.公路桥梁震害综述3.公路桥梁典型震害4.百花大桥震害初步分析5.桥梁震害的启示与对策6.交通部目前正在开展的有关桥梁抗震研究工作2、四川公路桥梁震害调查及宏观震害震后，四川省交通厅组织全国11家设计单位对四川重灾区国省主干线公路上的桥梁进行震害调查和检测，共调查检测公路桥梁1657座。调查检测发现桥梁抗震总体水平较好，彻底损毁的桥梁占1.09%。表1汶川地震震区桥梁震害调查统计表（按座数统计）项目分类总数（座）完好及轻微破坏中度破坏严重破坏损毁施工中高速公路57691.49%5.21%2.6%0.35%0.35%国省干道108178.17%11.01%8.78%1.48%0.56%合计165782.81%8.99%6.63%1.09%0.48%2、四川公路桥梁震害调查及宏观震害表2汶川地震震区桥梁桥型比例表桥型比例：1657座桥梁中，简支体系桥梁共1337座，占80.68%。桥墩形式：极重灾区简支体系桥梁的桥墩几乎均为双柱式桥墩。独柱式桥墩只有白水溪大桥等5座桥梁，其中4座为矩形独柱墩，只有小黄沟中桥（连续梁桥）采用圆柱形独柱墩。桥型座数所占比例完好及轻微破坏中度破坏严重破坏损毁简支体系桥梁133780.68%82.87%9.35%7.03%0.75%拱桥28617.26%87.75%7.00%4.20%1.05%连续梁桥332.00%72.73%12.12%9.09%6.06%连续刚构10.06%//100%/通过震害资料的初步分析，破坏严重的桥梁共25座桥梁宏观震害1：次生地质灾害对桥梁的破坏巨大在极重灾区国省主干线破坏严重的25座桥梁中，有10座桥梁为次生地质灾害所致，比例高达40%。次生地质灾害造成了桥梁的严重破坏，甚至是毁灭性的。次生地质灾害是本次地震极重灾区桥梁破坏的一个主要原因，也是此次地震桥梁震害有别于近50年几次大地震中桥梁震害的一个突出特点。彻底关大桥映秀岸垮塌3孔映秀至汶川公路一碗水顺河桥被崩塌体砸毁4孔映秀至汶川公路电站沟桥被落石砸垮连接岷江两岸的桥梁被落石砸垮映秀至卧龙公路鱼子溪2号桥被落石砸垮映秀至汶川公路桃关岷江桥被落石砸垮6月9日映秀山体崩塌录像四川省交通厅公路规划勘察设计研究院2008年6月9日拍摄桥梁宏观震害2：近场地震的影响巨大映秀附近严重破坏桥梁与断层带的相互位置关系图穿越地表活动断裂带及断裂带附近2km范围内的桥梁容易发生毁灭性破坏G213线百花大桥跨塌的第五联桥映秀顺河桥穿过中央断裂带，全部倒塌小渔洞桥穿越断层，两跨垮塌，残余的两跨已报废百花大桥距活动断层约1.0Km，第五联桥整体垮塌，同时残存部分90％的桥墩出现压溃现象桥梁宏观震害3：弯、斜桥破坏比直线桥严重斜桥移位普遍较大，在梁体产生纵桥向移位的同时也带来横桥向位移百花大桥跨塌的第五联桥处在小半径弯道上，其直线桥部分虽破坏严重，但未发生垮塌桥梁宏观震害4：桥梁长度、墩身高度、桥墩形式对桥梁抗震性能的影响寿江大桥1号墩梁体移位桥长较短的桥梁由于桥台对桥梁纵向的约束作用，对防止落梁起到了贡献,因此长度较短的桥梁比较长桥梁破坏轻；只有一联的桥梁，其震害比多联的且相对较长的也要轻庙子坪岷江桥，高达70m的引桥发生落梁高墩桥梁的落梁风险大。矩形独柱墩的4座简支体系桥梁，桥墩自身均未出现破坏。矩形墩的表现均优于圆形墩矩形独柱墩灾区梁式桥的桥墩几乎均为双柱式桥墩,震害调查表明：双柱式桥墩是比独柱墩相对好的桥墩形式如寿江大桥为矩形独柱墩，虽然梁体移位严重，但下部桥墩仍十分完好，只需对上部梁体进行复位即可。连续梁桥的桥墩破坏情况均比简支体系桥梁的桥墩破坏严重。主要还是墩的形式和各墩所分担的地震水平力差异过大造成桥梁宏观震害5：深水桥梁产生震害后，其修复代价是巨大的在建的都汶高速公路庙子坪岷江大桥的主墩墩高104m，淹没超过40m，采用潜水员和水下摄像等多种检测手段，发现水下墩身开裂。检测困难，修复代价巨大。桥梁宏观震害6：整体性差的桥梁破坏大平武县南坝大桥地震时正在施工，桥面铺装及空心板间企口缝还未浇注，大部分空心板都落梁了掉入河中。桥梁宏观震害7：不同桥型的抗震能力是有差别的许多拱桥的总体表现较好，尤其是单跨拱，只要两端地质条件好，主拱圈基本完好由于简支体系桥梁占80.68％，因此相应震害也要明显。极震区的连续梁桥普遍出现梁体的纵横向移位、桥墩倾斜甚至倒塌。1.汶川地震概况2.公路桥梁震害综述3.公路桥梁典型震害4.百花大桥震害初步分析5.桥梁震害的启示与对策6.交通部目前正在开展的有关桥梁抗震研究工作桥梁震害直接震害间接震害垮塌、移位、落梁、墩身破坏、桥台破坏、地基破坏、支座破坏、伸缩缝破坏砸坏、挤压横移3.公路桥梁典型震害将简支体系桥梁、连续梁桥、连续刚构桥均按梁式桥考虑。汶川地震桥梁震害除极少数倒塌外，其他主要震害现象有：主梁移位和落梁、桥墩震害、支座破坏、桥台破坏。伸缩缝的破坏基本是由梁的移位过大引起，另外，由于震区地质条件的特殊性，极少出现砂土液化对桥梁的震害现象，在此不再阐述。3.1梁式桥震害1、倒塌2、主梁移位和落梁主梁移位在地震重灾区的桥梁中比较普遍，但主梁移位的极端情况——落梁破坏相对较少。主梁移位震害包括纵桥向移位、横桥向移位和平面旋转。平面转动的震害主要出现在斜交桥。（1）横向移位白水溪桥3号墩墩顶梁体横向移位48cm新房子桥连续梁梁体横向移位60cm（2）纵向移位寿江桥第1跨几乎落梁（3）平面扭转在斜交桥中普遍出现（4）挡块破坏主梁移位的同时撞击桥墩的纵横向挡块，也造成了桥墩挡块的大量破坏，但因为挡块的设置，减少了落梁震害。（5）落梁落梁是桥梁最严重的震害之一，是作为主梁移位的极端表现形式，但在汶川地震中较少出现。庙子坪大桥落梁跨紧邻伸缩缝部位，此处墩高约70m，虽然盖梁宽度达3m，但仍无法适应地震引起的纵向位移。正在施工的南坝大桥落梁都汶高速公路庙子坪岷江大桥第10跨引桥发生整跨落梁3、桥墩震害（压溃、开裂、倾斜）庙子坪大桥5号主墩墩身水下部分横向贯通裂缝（水下摄像）都汶高速的新房子大桥右幅的6-25m连续箱梁部分墩位因紧邻陡坡，地表开裂，墩柱倾斜调查表明：①发生桥墩倾斜震害主要是连续梁桥的桥墩。连续梁桥由于固定支座的设置，使得桥墩在地震作用下承受的地震荷载差异大，从而桥墩破坏的严重程度差异也大，同时会带来崩溃性的破坏；②墩柱箍筋是非常重要的。通过破坏桥墩的调查分析，无论墩柱直径大小，无论是否是潜在塑性铰区域，箍筋体积配箍率0.048%～0.067%，远不能保证足够的横向约束能力；③墩身刚度突变处易产生震害；④此次桥墩震害出现了深水桥墩开裂这一全新的桥墩震害现象。4、支座破坏支座破坏是桥梁上部结构中最常见的一种破坏现象，梁的纵、横向位移过大，导致支座破坏，在汶川地震中，支座破坏主要表现为支座撕裂、脱空及滑移。百花桥18#桥墩右墩顶支座脱落，梁体悬空白水溪桥支座破坏5、桥台破坏此次地震中桥台的破坏主要有：重力式台的墙体开裂、肋板式桥台肋板开裂、桥台锥坡开裂、桥台填料垮塌、搭板下沉等。此次地震显示桥台对桥梁的约束作用较为明显。通过桥台背墙约束了墩梁体纵向移位，在地震中对防止落梁有较大贡献。同时震害调查分析表明只有一联的桥梁，其震害比多联的且相对较长的轻许多。3.2拱桥典型震害1、主拱圈破坏拱圈震害包括拱圈断裂和开裂。垮塌的井田坝大桥白水河大桥主拱圈开裂3.2拱桥典型震害2、拱上结构破坏①腹拱圈开裂，②腹拱上横墙开裂：③桥面板横移。白水河大桥腹拱圈开裂竹园大桥立柱开裂1.汶川地震概况2.公路桥梁震害综述3.公路桥梁典型震害4.百花大桥震害初步分析5.桥梁震害的启示与对策6.交通部目前正在开展的有关桥梁抗震研究工作G213线百花大桥，建成于2004年，设计荷载为汽-20、挂-100，地震烈度按Ⅶ度设防。全桥长496m，桥宽8m，最大墩高30.3m。上部构造分为6联，跨径组合为4-25+5-25+1-50+3-25+5-20+2-20m，除第3联采用简支T梁外（跨径50m），其余各联均为连续梁，第1-2联、第5-6联之间（第18、19跨间）采用牛腿构造搭接。下部构造为双柱式桥墩、轻型桥台、桩基础。平面上大桥第1、2联位于左偏曲线内，第5、6联位于右偏曲线内。纵面上，全桥基本位于1%单坡内。百花大桥桥位距龙门山中央断裂带的最近距离仅1.5Km。能量输入集中在北偏西、北、北偏东、东偏北等方向。总体而言，第1～4联以横向输入为主，兼有纵向分量；第5、6联以纵向输入为主，兼有横向分量。此外，靠近发震断裂，竖向地震动输入也非常大，导致梁体更容易移位。第5联整体倒塌本联桥跨包括第14～18跨，主梁总长98.6m，主要震害现象包括：（1）桥墩均已倒塌，墩柱普遍存在折断、压溃、系梁破坏等状况，也有斜剪破坏，其中16#墩的剪切破坏现象较为明显。（2）主梁梁体混凝土压碎，主筋拉断、崩离。倒塌后主梁断裂或折断的共有7处，第5、6联桥墩高度差异较大，其自振频率不同，导致纵向振动不一致在第5联各墩中，17#墩最矮，线刚度大使其承受的水平力也大，因此其墩柱底部首先开裂，刚度明显下降，因位移过大导致第18跨从第19跨牛腿上滑落，瞬间转移增加的地震响应使17#墩柱在塑性铰区域失效、断裂主要表现为墩柱压溃、环向开裂，系梁开裂破坏，以及挡块、支座等的破坏。双柱式桥墩的破坏是崩溃性的，全桥38个墩柱中倒塌、压溃的共24个，比例高达63%；环向开裂的6个，占16%；墩柱病害不明显的8个，占21%。全桥桥墩除第5联整体垮塌外，其余墩柱共有19处压溃，13处环向开裂，均位于潜在塑性铰区域。通过对桥墩破坏的分析，第1～4联桥梁的下部构造，横向破坏占主导地位；第6联桥梁的下部构造，以纵向破坏为主。桥墩破坏的方向性与地震动的输入是一致