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汶川地震桥梁震害分析 0 梁桥地震倒塌机理 2008年5月12日，中国四川省绵川县发生8.0级大地震，造成大量人员伤亡，给国家造成了悲伤。地震中因山体滑坡、桥梁倒塌和公路损毁使震中区交通完全中断,救援人员及物资不能有效到达,给地震应急救援工作带来了极大困难,凸显交通运输生命线工程的重要性。课题组在桥梁详细震害调查基础上,对涉及的强震区简支梁桥防落梁设计、钢筋混凝土桥墩抗剪强度及变形能力、小半径曲线梁桥地震倒塌机理等若干问题进行了初步研究。希望对推动我国桥梁抗震技术进步有所帮助。 1 四川省地震桥地震资料 1.1 近断层地震动 汶川地震较多简支梁桥发生落梁震害,原因除地震山体滑坡次生灾害外,还表现为: (1)断层地表破裂影响 位于映秀镇平行于岷江建造的高树大桥(见图1),可认为是中国大陆首例因断层穿过而产生落梁震害桥梁。在汶川大地震之前发生的1999年台湾集集大地震,断层地表破裂亦长达100余km,造成乌溪桥、碑丰桥、一江桥、名竹大桥等多座桥梁毁损。 (2)近断层地震动效应 在发震断层附近(一般小于10 km)因断层破裂的方向性效应使其地震动在速度波形上表现为明显的长周期脉冲并伴有强烈的竖向地震动分量。长周期脉冲作用将使主梁整体沿桥纵或横向发生很大的位移反应,当桥墩反向运动后主梁因惯性仍继续运动将导致较大的墩梁相对位移产生,引发落梁。汶川地震中发生落梁的高原大桥、北川龙尾大桥等距离主发震断层不足几百米(见图2)。作者们曾详细研究了1976年唐山大地震35孔跨径22 m的滦河大桥落梁震害(见图3),考虑桥墩、支座及邻梁碰撞等非线性因素,并以行波输入进行了时程分析,认为近断层地震动是落梁震害的重要外因。1999年台湾集集大地震发生落梁破坏的桥梁亦分布在发震断层10 km范围之内。 随着人类工程活动区域不断扩大,特别是我国交通基础设施建设仍处于快速发展阶段,并积极地向西部山区、农村地区拓展。在强震山区桥梁临近活动断层情况不可避免,而目前国内关于断层地表破裂及近断层地震动下桥梁结构地震响应的研究工作尚少,可提供的设计分析及技术手段与工程需求仍有较大差距。 1.2 回澜立交匝道桥结构破坏 在城市互通立交、(山区)高等级公路等桥梁设计中,受场地、环境条件制约以及从减少占地的经济因素考虑,目前小半径曲线梁桥(通常半径R100 m,桥长L100 m)已较多出现。在汶川地震中,百花大桥、回澜立交匝道桥2座小半径曲线梁桥发生垮塌、桥墩毁损等严重破坏。 百花大桥垮塌的第5联为5×20 m连续曲梁桥(R=66 m),远离映秀镇一侧为悬臂支承,如图4(a)所示。破坏原因最大可能是牛腿处支承宽度不足且缺少纵向、竖向限位装置,导致首先发生落梁;其次可能是薄弱的系梁、桥墩及细部构造引发。 回澜立交匝道桥为曲线连续刚构桥(R=20 m),位于竖向螺旋曲线内,平面为圆形。独柱桥墩高度在2.0～7.0 m之间,与主梁连接采用刚构和铰接(盆式橡胶支座)交替布置。震害原因主要为刚度较大的刚构矮桥墩承受很大的惯性力,发生弯剪破坏并引发主梁底部开裂及桥台处支座脱空。 上溯至1971年美国San Fernando地震,接近完工的SR14/I5立交枢纽上下跨交叉的曲线连续刚构桥(跨中设有牛腿)部分落梁(见图4),倒塌的原因是结构跨中牛腿支承面过窄且限位装置强度过低,以及钢筋混凝土墩没有配置足够的箍筋,结构延性较差。该桥建成后又经历1994年美国Northridge地震,其西南连接线的3跨、西北连接线的2跨均发生局部跨塌,震害原因是矮(桥)墩刚度较大承受了很大地震惯性力导致弯剪破坏。 若将美国SR14/I5立交枢纽前后两次震害与百花大桥、回澜立交匝道桥比较,相似性很值得我们深入思考、警醒:必须重视和深入开展曲线梁桥抗震问题研究,尤其是在防止大震倒塌方面。 1.3 剪切破坏严重 汶川地震区主要为桥面连续简支梁桥,支座多为直接搁置的板式橡胶支座,地震中稳定性较差,主梁与桥墩连接较为薄弱,更多地发生横、纵向移位,乃至落梁。这种薄弱连接一定程度降低了桥墩的地震荷载,总体上看桥墩震害较轻,但从破坏的桥墩、拱肋、盖梁来看,直接剪切或形成弯曲塑性铰后的剪切破坏较为多见,延性抗震存在隐忧,最惨痛的教训为小鱼洞大桥的垮塌(见图5)。 小鱼洞大桥拱肋在拱脚处、腹杆在顶部节点处剪切破坏,主要为设计配筋及构造缺陷:可能是抗剪强度计算重视不够,以致拱肋和腹杆配箍率偏低,为?6@200且为单肢,无加密区、无135°弯钩及嵌固于混凝土之内;纵筋保护层厚度3～5 cm不等且在拱脚处部分截断,以绑焊接相连,这些都会导致粘结不足。图5(d)清晰展示了拱肋的破坏模式及薄弱环节:其垂直(拱肋)向裂缝为弯曲引起、斜向裂缝为剪切破坏、沿纵筋方向裂缝则表现为粘结破坏。 1.4 庙子坪大桥结构及施工 近年来随着西部大开发战略