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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jí)地震受損橋梁，按不同的結(jié)構(gòu)類型，對其震害進(jìn)行了調(diào)查并分析了原因。調(diào)查結(jié)果表明：除極個(gè)別橋梁損毀外，巴東境內(nèi)橋梁主體結(jié)構(gòu)基本安全，局部修復(fù)后可繼續(xù)使用。

橋梁工程；巴東地震；山區(qū)橋梁；震害；震害防御

0 引 言

2013年12月16日13時(shí)4分湖北省巴東縣發(fā)生M 5.1級(jí)地震，宏觀震中位于東瀼口鎮(zhèn)宋家梁子村，極震區(qū)烈度為Ⅶ度。地震波及巴東、秭歸、興山等周邊地區(qū)，地震災(zāi)害主要集中在巴東縣的東瀼口鎮(zhèn)、官渡口鎮(zhèn)、信陵鎮(zhèn)、溪丘灣鄉(xiāng)以及秭歸縣的泄灘鄉(xiāng)、沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)[1]，本次地震是近40年來湖北省境內(nèi)最為強(qiáng)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(nèi)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(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組[2],按規(guī)定該區(qū)的公路橋梁都必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[3]。由于巴東地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，除重大工程和近年來正規(guī)設(shè)計(jì)、施工的橋梁能達(dá)到設(shè)防烈度外，境內(nèi)多數(shù)橋梁未設(shè)防，且具有設(shè)計(jì)承載力過低、施工水平質(zhì)量無保證，資金缺乏或監(jiān)管不到位等原因造成年久失修等特點(diǎn)。

根據(jù)湖北省地震局震害損失評估調(diào)查結(jié)果，巴東M5.1級(jí)地震的烈度分布情況如圖1。

圖1 地震烈度及調(diào)查點(diǎn)分布Fig.1 Seismic intensity distribution of Badong M5.1 earthquake

此次地震造成巴東縣境內(nèi)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(jù)湖北省地震局現(xiàn)場工作組對其中12座橋梁的抽樣調(diào)查(表1)，作為本次地震宏觀震中的東瀼口鎮(zhèn)橋梁震害相對集中和明顯。對受調(diào)查橋梁的結(jié)構(gòu)類型，按拱橋、梁橋以及特殊橋梁3類進(jìn)行震害機(jī)理探討，為今后山區(qū)橋梁，特別是山區(qū)鄉(xiāng)村橋梁的震害防御提供參考。

表1 橋梁震害調(diào)查

1 拱橋震害實(shí)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(qū)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))村公路。由于其耐久性好、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用少，構(gòu)造簡單，技術(shù)成熟等特點(diǎn)，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(jīng)濟(jì)合理的[4]。在我國鄉(xiāng)村公路橋梁中，圬工拱橋由于能充分發(fā)揮圬工材料(石料、混凝土、磚)抗壓性好、抗拉性差的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。本次地震中，拱橋約占受損橋梁的3/4，而巴東縣境內(nèi)的拱橋占各類橋梁總數(shù)的90%以上。

1.1 蹬子石橋

蹬子石橋位于巴東縣東壤口鎮(zhèn)，為實(shí)腹石拱橋(圖2)，該類橋剛度大、變形能力差。拱的縱向穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫向穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)在受到地震慣性荷載和臺(tái)背的動(dòng)土壓力的共同作用下，拱腳最易出現(xiàn)剪切位移和彎曲開裂。地震導(dǎo)致蹬子石橋拱腳及臺(tái)背發(fā)生破壞并垮塌，拱圈已嚴(yán)重破壞，無法繼續(xù)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(zhèn)宋家梁子村(圖3)，結(jié)構(gòu)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(xiàn)為近1/4跨徑處的腹拱拱腳發(fā)生破壞。推斷其破壞機(jī)理為地震作用下拱平面內(nèi)的基本振型呈現(xiàn)反對稱的兩個(gè)波動(dòng)形式，在拱腳和拱1/4跨產(chǎn)生很大的彎矩，而圬工材料的抗拉性差，受拉條件下極易發(fā)生破壞，是結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)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(zhèn)雷家坪村，為圬工拱橋，平面線形為曲線。震害主要發(fā)生在橋臺(tái)翼墻部位，由于臺(tái)背的動(dòng)土壓力導(dǎo)致橋臺(tái)翼墻的砌體間產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于砂漿抗拉強(qiáng)度低，導(dǎo)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(shè)成本的限制在山區(qū)鄉(xiāng)村普遍存在。地震作用下受力狀態(tài)極其復(fù)雜，定量抗震計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)，因此震害經(jīng)驗(yàn)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(zhèn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)在兩個(gè)方面：①橋面板與橋臺(tái)剛度差異大、間距過小，地震時(shí)產(chǎn)生順橋向沖擊造成橋面板向橋臺(tái)擠壓發(fā)生破壞；②伸縮縫位置人行道欄桿卻未斷開，伸縮縫變形時(shí)欄桿不能協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致其底部出現(xiàn)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(qiáng)震區(qū)應(yīng)避免采用的型式[5]。該類型的拱橋雖具有結(jié)構(gòu)輕巧、施工簡便、經(jīng)濟(jì)美觀等優(yōu)點(diǎn)，但拱肋和斜撐尺寸較小，剛度不足，抗震能力較差，應(yīng)盡可能采用整體性好、斷面大的板拱和箱拱。

2 梁橋震害實(shí)例與分析

梁橋是指結(jié)構(gòu)在垂直荷載下支座只產(chǎn)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(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)類型，它具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的所有特點(diǎn)：成本低、耐久性好、維修費(fèi)用少、材料可塑性強(qiáng)、整體性好、結(jié)構(gòu)剛度大等特點(diǎn)，主要作為中、小跨徑橋梁使用。巴東縣境內(nèi)的梁橋約占橋梁總數(shù)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(zhèn)，跨徑70 m+130 m+70 m，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，最大墩高96 m，于2001年建成通車。地震使伸縮縫兩側(cè)橋面鋪裝層出現(xiàn)壓裂縫；欄桿整體出現(xiàn)位錯(cuò)，小部份欄桿扶手裂縫貫通、露筋，局部橫檔掉落。橋墩、橋臺(tái)主體結(jié)果基本完好，未發(fā)現(xiàn)新裂縫產(chǎn)生。

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

伸縮縫兩側(cè)的橋面鋪裝不僅受橋梁振動(dòng)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(xié)調(diào)，再加材料的疲勞損傷以及超載損傷，該位置極易產(chǎn)生裂縫，地震通常只是該部位裂縫產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)場調(diào)查情況來看，欄桿設(shè)計(jì)上欠合理，主要體現(xiàn)在：①扶手?jǐn)嚅_位置底座卻連續(xù)；②底座斷開位置扶手卻連續(xù)；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(zhèn)舊縣坪村，為板梁橋，邊跨肋板與橋臺(tái)整體澆注，地震使邊跨肋板與橋臺(tái)交接處出現(xiàn)裂縫，該裂縫造成混凝土保護(hù)層的破壞，但并未向深部發(fā)展。從其裂紋形態(tài)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(tái)整體澆筑形成的截面突變，地震作用下引起應(yīng)力集中；混凝土等級(jí)低、施工方法不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)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(fā)生更大震級(jí)地震時(shí)兩梁間發(fā)生順橋向沖擊，極易造成橋梁破壞，這種設(shè)計(jì)不利于抗震[7]。

圖7 松林灣橋Fig.7 Songlinwan bridge

3 特殊橋梁震害實(shí)例與分析

巴東長江大橋主橋?yàn)殡p塔斜拉橋。斜拉橋?qū)俳M合體系橋梁，為多次超靜定結(jié)構(gòu)，梁體尺寸較小，橋梁的跨越能力大，橋下凈空和橋面標(biāo)高的限制小，抗風(fēng)穩(wěn)定性較好，常作為大跨徑橋梁方案。

該橋位于巴東縣新城區(qū)，北岸臨近神農(nóng)溪入口，2004年7月2日建成通車。主橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)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(qiáng)平行鋼絲斜拉索。

此次地震造成巴東長江大橋出現(xiàn)以下病害(圖8)：北岸引橋1號(hào)墩帽位置出現(xiàn)約10條豎向裂縫，最長約94 cm，東側(cè)裂縫寬度大于西側(cè)，東側(cè)一般0.1～0.25 mm，西側(cè)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(shí)，對墩帽產(chǎn)生剪切作用。東側(cè)裂縫寬度大于西側(cè)的原因尚待深入研究，與震中的距離遠(yuǎn)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(chǎn)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(diào)查中還發(fā)現(xiàn)1號(hào)墩支座有老化開裂的現(xiàn)象。橋梁支座既承擔(dān)著上部結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)。以往的橋梁震害實(shí)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(shù)都是以支座破壞為前導(dǎo)[8]。破壞性地震發(fā)生時(shí)，支座承受極大的剪力和變形，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)脫離支座，發(fā)生嚴(yán)重震害，所以支座必須定期檢查、及時(shí)更換。

4 結(jié) 論

1)總體來說，巴東縣境內(nèi)除極個(gè)別橋梁因年久失修損毀嚴(yán)重外，其余橋梁基本經(jīng)受住了此次地震的考驗(yàn)，經(jīng)簡單修護(hù)和加固后可繼續(xù)使用。

2)鄉(xiāng)村橋梁絕大多數(shù)未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)，而鄉(xiāng)村橋梁又被規(guī)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(xiāng)村橋梁往往又是抗震救災(zāi)生命線工程的重要“節(jié)點(diǎn)”，具有不可替代性，一旦損毀導(dǎo)致道路阻斷，救災(zāi)人員、機(jī)械及物資無法及時(shí)進(jìn)入到災(zāi)區(qū)，其造成的損失有時(shí)不可估量。橋梁的重要程度分類不應(yīng)只以道路等級(jí)或跨徑來區(qū)分，還應(yīng)充分考慮其在生命線中的地位，在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還須具備一定的抗震能力。

3)除了此次地震山區(qū)橋梁表現(xiàn)出的上部結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)象外，山區(qū)橋梁多坐落于岸坡(有時(shí)甚至直接坐落于滑坡體上，即所謂的抗震危險(xiǎn)地段)。地震可能引發(fā)大規(guī)模的滑坡、崩塌，對橋臺(tái)和基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的動(dòng)土壓力，再加上山區(qū)地形特征對局部地面運(yùn)動(dòng)有很大影響，地形引起的地震動(dòng)放大效應(yīng)又加重山區(qū)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(yīng)引起足夠重視。

4)因橋梁損毀導(dǎo)致救災(zāi)工作重大損失的教訓(xùn)在歷次破壞性大震中不斷上演，在重視新建橋梁抗震設(shè)計(jì)的同時(shí)，更要充分認(rèn)識(shí)現(xiàn)有橋梁新舊并存，抗震能力差異巨大這一客觀事實(shí)。重視地震有識(shí)別結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)的習(xí)性，在這些位置會(huì)發(fā)生集中破壞。針對山區(qū)橋梁特點(diǎn)，分類進(jìn)行深入的震害機(jī)理研究、系統(tǒng)研究抗震性能的評估方法和配套的加固補(bǔ)強(qiáng)措施，使得未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)或抗震設(shè)防水平偏低的鄉(xiāng)村橋梁至少能達(dá)到當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)規(guī)范的形成與實(shí)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(jí)地震災(zāi)害直接損失評估報(bào)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(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)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(shè)計(jì)細(xì)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(shè)計(jì)啟示[J]. 震害防御技術(shù),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(chǔ). 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(jié)構(gòu),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(xiàng)目(IS200956051)

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

U442.5

A

1674-0696(2015)02-020-04