梁式橋震害及其影響因素分析*

王再榮，郭恩棟，趙釗，孟于飛

(中國地震局工程力學研究所，黑龍江哈爾濱150080)

國內外很多從事橋梁抗震的工作者對橋梁震害模式及破壞機理進行了總結，并且每次大地震發生之后橋梁震害資料都會更加豐富，為深入研究橋梁結構震害機理及抗震措施等奠定了基礎。如2008年5月12日四川汶川發生的8級大地震，極震區烈度高達Ⅺ度，地震造成24條高速公路、161條國省干線、8 618條鄉村公路、6 140座橋梁、156條隧道受損，這次地震同樣為橋梁抗震研究留下了寶貴的震害資料。

本文對國內外幾次大地震中的梁式橋震害現象進行了研究，結合汶川8.0級大地震中梁式橋的震害，從震害特點和影響因素兩方面進行了總結分析。

1 梁式橋震害特點

本文收集了海城7.3級地震(1975年)、唐山7.8級大地震(1976年)、洛馬·普里埃塔7.1級地震(1989年)、美國北嶺6.6級地震(Northridge Earthquake)(1994年)、云南麗江7.0級地震(1996年)、土耳其伊茲米特7.8級地震(1999年)、我國臺灣集集7.3級大地震(1999年)、汶川8.0級大地震(2008年)等地震中的梁式橋震害資料，共包含112座梁式橋梁的震害［1－7］，并進行了分類統計(表1)。由表1可知，梁式橋梁可能出現的8類震害，在震害調查中均有發現，出現前4類震害的橋梁占多數，顯然，這4類震害是最為常見的震害。

表1 梁式橋震害分類

1.1 支座破壞

在調查的112座橋梁中有53座橋梁約占65.2%發生了支座破壞，綜合國內外幾次大地震的調查結果，在中、美、日等國的多個地震中，支座的破壞現象均較為普遍。

支座的震害表現為支座傾斜、剪斷、錨固螺栓拔出、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等。支座破壞的同時也伴隨著支座下墊石板破碎［8］。

落梁震害與支承破壞密切相關，因振動導致的落梁多因支承破壞所致。當支座破壞后，墩－梁間的位移失去控制，當墩梁間的相對位移大于主梁擱置長度后，主梁將從橋墩脫落從而導致落梁。統計的53座支座破壞橋梁中，有26座落梁。另外統計的53座支座破壞橋梁中，有29座橋梁的橋墩沒有破壞，說明對于下部結構而言，支座破壞可以避免上部結構的地震荷載傳到橋墩，從而起到保護橋墩的作用。

1.2 墩臺損壞

橋墩是橋梁結構中最重要的承重構件，在地震中，橋墩一旦破壞將會導致橋梁不能再使用甚至落梁或整體倒塌，本文調查的26座落梁的橋梁中有16座墩臺破壞，表明墩臺破壞是落梁的主要原因。由表1可知，調查的112座橋梁震害中就有51座橋墩破壞和48座橋臺破壞，分別占總體的46.4%和42.9%，表明在地震中墩臺破壞現象比較普遍。

墩臺的震害形式有發生嚴重傾斜移位、墩臺沉降、墩身破壞。較高的柔性墩柱大多是彎曲破壞，在地震中，此類破壞不是太多，主要發生在墩柱頂部和底部。汶川地震中百花大橋橋墩抗彎能力不足而導致墩底保護混凝土的剝落損壞(圖1)。較矮的墩中較為普遍出現剪切或彎剪破壞，橋墩的抗剪強度不足，是出現這類震害的根本原因。在地震中此類破壞較多，可能發生在帽梁與墩柱連接處、墩柱中部或墩柱與承臺的連接處。汶川地震中回瀾立交橋匝道橋墩破壞方向沿切向較為明顯，遭受嚴重破壞的橋墩大多為短柱，發生剪切破壞(圖2，圖3)［10］。

圖1 汶川地震中綿竹市回瀾立交橋曲率最大處橋墩破壞

圖2 汶川地震中回瀾立交橋C匝道橋2號墩彎剪破壞

圖3 我國臺灣集集大地震中烏溪橋的橋墩被剪斷

在城市高架橋中常使用框架墩，框架墩的震害也經常見到。震害主要表現為:蓋梁的破壞，墩柱的破壞以及節點的破壞。蓋梁的破壞形式:當地震力和重力疊加時，剪切強度不足引起的剪切破壞;蓋梁負彎矩鋼筋的過早截斷引起的彎曲破壞;以及蓋梁鋼筋的錨固長度不夠引起的破壞。節點的破壞主要是剪切破壞(圖4)。

圖4 汶川地震百花大橋橋墩與系梁節點剪切破壞

1.3 梁體移位

上部結構的移位震害比較常見，縱向移位、橫向移位以及扭轉移位，在伸縮縫處比較容易發生移位震害。地震發生時，橋梁的梁體移位是避免不了的，如果不是太大的移位，震后通過換掉破壞的支座，把梁體恢復原位，橋梁還可以繼續使用。但是過大的移位會導致落梁，這是不允許的，所以必須采取抗震措施減小梁體位移。汶川地震有些橋梁上部結構雖然沒有落梁，但發生了比較大的移位，導致無法通行。

臺灣集集大地震中東豐(Tong－feng)橋產生了10～20 cm的大的豎向位移并且在橫向偏離30～50 cm。PCI梁因大的橫向移動脫離支座。汶川地震中百花大橋主梁均發生橫、縱向移位及碰撞(圖5)。

1.4 地基與基礎破壞

圖5 汶川地震中百花大橋梁體橫向移位

有實際震害資料證明，大多數發生落梁等災難性破壞的橋梁都出現地基基礎破壞現象，地基與基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的重要原因。在本文調查的橋梁震害中有20座嚴重破壞或毀壞的橋梁發生了地基基礎震害，26座落梁破壞的橋梁中有11座發生了地基基礎破壞。基礎的破壞與地基的破壞緊密相關，幾乎所有地基的破壞都會引起基礎的破壞，主要表現為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩。

基礎破壞的原因有:擴大基礎的震害一般由砂土液化或地基失效的不均勻沉降和由土承載力和穩定性不夠，地面產生大變形，導致地層發生水平滑移、下沉、斷裂而引起的;常用樁基礎除了上面的原因外，還有上部結構傳下來的慣性力所引起的樁基剪切、彎曲破壞，更有樁基礎設計不當所引起的震害。1989年洛馬·普里埃塔地震中Struve Slough橋的樁柱穿透橋面(圖6)。汶川地震中龍尾大橋第7跨橋墩傾斜接近倒塌(近端第2跨橋墩墩底可見噴砂液化現象)(圖7)。

圖6 洛馬·普里埃塔地震中Struve－Slough橋的樁柱穿透橋面

圖7 汶川地震中龍尾大橋橋墩傾斜

1.5 其他破壞

在地震中，除了上面提到的主要部位的震害外，還有一些非結構部位，包括構件間的節點破壞、伸縮縫的破壞、扶手護欄破壞、擋塊損壞以及引橋的破壞等，這些部位雖然不能引起橋梁垮塌癱瘓，但是它們的破壞也會大大加重橋梁的震害，因此在橋梁抗震設計和橋梁施工中應給予重視和恰當的處理。

在近20年內發生的大地震中，發現很多城市高架橋和立交橋破壞是由于碰撞反應引起的。碰撞還可以發生在多層立交橋高度不同的相鄰結構之間，即標高較低的上部結構與相鄰較高結構的橋墩發生碰撞。圖8和圖9分別為汶川大地震中橋面伸縮縫和擋塊的破壞。

圖8 汶川地震中綿遠河大橋橋頭橋面處伸縮縫受損

圖9 汶川地震中廟子坪大橋擋塊破壞和緩沖墊脫落

2 梁式橋震害影響因素

2.1 地震烈度的影響

對112座梁式橋梁的震害資料依據烈度的不同進行了分析(表2)。表2中數值表示:某烈度區某一震害類型的橋梁破壞座數/某烈度區橋梁總數。

表2 不同烈度的橋梁震害對比分析

從表2的分析結果來看，就某一烈度區的橋梁震害形式仍然以支座破壞、墩臺損壞、梁體移位和地基及基礎破壞為主，在高烈度區，落梁破壞也比較嚴重。就某一種震害類型分析，隨著烈度的增高，橋梁的破壞程度增大，尤其是落梁破壞表現比較明顯。在X以上的高烈度區，各種震害類型的橋梁破壞都很嚴重。

2.2 建設年代的影響

對1976年7.8級唐山大地震中的40座橋梁震害與2008年的8.0級汶川大地震中的33座橋梁震害做了比較(表3)。雖然汶川地震的震級比唐山大地震的震級大，但是從表3來看，唐山大地震中的各類震害都比汶川大地震嚴重。由此可見，有無抗震設計對橋梁的破壞至關重要。橋梁抗震設計也是最近幾十年才提出來的，在橋梁抗震設計未提出之前建造的橋梁抗震性比較差，所以震害比較嚴重，隨著橋梁抗震理論的發展，橋梁的抗震性能也越來越好，相比早些年代建造的橋梁在強震作用下，震害較輕［9］。

表3 唐山大地震和汶川大地震橋梁震害對比分析震害類型

以支座破壞為例說明建造年代對橋梁震害的影響，在1960年代以前，幾乎全部橋梁都是鋼支座、混凝土擺式支座、簡易的瀝青油氈支座;其中鋼支座占絕大多數。1964年板式橡膠支座誕生以來，1970年代相繼研制成了四氟板式橡膠支座、盆式橡膠支座，到目前我國幾乎100%的支座都是使用板式橡膠支座、盆式橡膠支座和球型橡膠支座。結合支座的發展史來分析，不難理解震害變輕的原因，這表明采用橡膠支座比之前的鋼支座、混凝土擺式支座、簡易的瀝青油氈支座更為適宜(近年來的理論研究也表明橡膠支座比鋼支座、混凝土擺式支座、簡易的瀝青油氈支座抗震性能好)。因此，在地震區橋梁能使用隔震減震橡膠支座為最好。

2.3 結構體系的影響

(1)簡支梁橋和連續梁橋對比分析

橋梁震害統計數字表明，縱向落梁占落梁震害的絕大多數，約占97%，而橫向落梁和扭轉滑移落梁則很少見。簡支梁橋的梁體與橋墩的連接方式一般是一端是固定支座，一端為滑動支座，在地震作用下，兩端橋墩不同的縱向位移容易導致縱向落梁。而連續梁橋由于在縱向的整體連續性比較好，不會發生縱向落梁現象，但是連續梁橋會因為橋墩破壞而發生整體橫向倒塌。1995年日本阪神7.2級地震中神戶高速3號線皮爾茨橋梁由于獨柱式懸臂橋墩的破壞引起整體在橫向倒塌破壞和2008年汶川地震中百花大橋第5聯的整體垮塌就是兩個連續梁破壞例子。

連續梁橋與簡支梁橋相比更容易發生橋墩傾斜震害，連續梁橋由于固定支座的設置，使得橋墩在地震作用下承受的地震荷載差異大，從而橋墩破壞的嚴重程度差異也大，連續梁的扭轉作用也給設置固定支座的橋墩帶來了很大的破壞。連續梁橋和簡支梁橋的橋墩形式不同是主要原因，簡支梁的橋墩一般都是帶蓋梁的雙柱門式橋墩，橫向剛度較大，不容易發生橫向傾斜。連續梁橋大多數采用單柱式或雙柱式(無蓋梁)，橫向整體剛度較小。汶川地震橋梁震害調查表明，雙柱式橋墩比獨柱式橋墩的抗震性能好。

(2)斜橋和曲線梁橋

城市立交橋和高架橋為了適應地形，使用了很多曲線梁橋，有時也會使用斜交橋，所以在此特別討論這兩種橋型。

在地震中，斜交橋上部橋跨在地震作用下會比正交橋發生更大的位移，而且存在在減小傾斜程度方向的轉動趨勢，在沒有足夠的支座支承寬度的情況下，斜交橋跨在銳角處容易因失去支承而脫落。斜交橋和它的橋臺(或其相鄰橋跨)之間的碰撞，能引起橋梁繞一個豎向軸轉動形成扭轉位移。

曲線橋梁本身動力特性較為復雜，受雙向地震力作用明顯，上部結構的重心偏離橋墩，附加彎矩作用明顯，特別是在豎向地震和雙向水平地震聯合作用下，曲線橋梁的反應不對稱，容易出現翻轉和外側移變形。汶川地震中百花大橋曲線段部分整體倒塌情況(圖10)，說明該段橋梁彎一扭地震反應效應比較顯著，這可能是導致震害的主要原因。汶川地震中綿竹市回瀾立交架匝道橋橋墩破壞嚴重［10］。

圖10 汶川地震中百花大橋曲線橋段塌落

2.4 地震次生地質災害的影響

汶川地震極重災區橋梁震害有一個重要特點就是次生地質災害對橋梁的破壞很大，這也是汶川地震橋梁震害有別于其他幾次大地震中橋梁震害的一個突出特點。次生地質災害對橋梁破壞是毀滅性的，成都－汶川高速公路上的幾座橋梁，如K26+773順河大橋、徹底關大橋、映秀岷江大橋等，受山體崩塌而砸塌。

3 結語

通過對梁式橋震害的總結研究，得到以下幾點認識。

(1)在地震中，梁式橋支座破壞、墩臺破壞、地基(基礎)破壞及梁體移位是最為常見的震害，這4類震害極易導致落梁甚至全橋倒塌的慘劇，因此應在抗震設計中重點防范。

(2)隨著烈度的增高，橋梁的破壞程度增大，尤其在X以上的高烈度區，各種震害類型的橋梁破壞都很嚴重。

(3)橋梁的建造年代對橋梁的震害有很大的影響，隨著橋梁抗震理論的發展，橋梁的抗震性能也越來越好，近20年設計建造的橋梁相比早些年代建造的在強震作用下，震害較輕，再一次說明進行橋梁抗震設計、施工的必要性。

(4)梁式橋有簡支梁橋和連續梁橋之分，不同的橋梁結構體系，橋梁震害特點有明顯差異。

(5)特定環境導致的次生地質災害對橋梁破壞影響很大，這點在汶川大地震中表現尤為突出，應該給予關注。

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