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1、汶川地震震后桥梁抗震关键技术研究与应用四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 庄卫林 刘振宇摘要：在汶川地震公路桥梁震害统计分析的基础上，对中小跨径梁式桥的抗震技术进行研究，提出了实用化和体系化减隔震技术、防落梁构造措施等抗震关键技术，并将研究成果应用在映秀至汶川高速公路的桥梁中。关键词：汶川地震 桥梁震害 减、隔震 防落梁1 汶川地震公路桥梁震害汶川地震具有以下特点：震区地处山区，地形复杂，地貌多变：地震区域位于龙门山区，为典型高山峡谷地形，河谷深切，相对高差大；地震震级大：汶川地震整个地震过程中释放的标量地震矩为9.41020 Nm，相当于矩震级为MW7.9，面波震级则达8.0级。持续时间长：
2、汶川大地震的破裂过程长达90s。汶川地震发生后，交通运输部及时启动公路抗震有关的科研工作，项目组对灾区桥梁开展了广泛的震害调查，本文以位于度及以上区域的极重灾区国省干线公路上1105座桥梁为对象，开展震害统计和分析。1.1 极重灾区各类公路桥梁桥型统计在被调查的极重灾区1105座公路桥梁中，梁式体系桥梁共有729座，所占比例最大，达到65.9%，其中连续刚构桥只有2座，其余均为简支体系桥梁和连续梁；其次为拱式体系桥梁373座，所占比例为33.8%，大部分修建于二十世纪；此外还有刚架桥、悬索桥与斜拉桥各1座。各类桥型桥梁所占比例见图2。图1 各类桥型桥梁所占比例近年来的中小跨径公路桥梁中，采用最
3、多的桥型是简支体系桥梁和连续梁，下面重点介绍汶川地震中简支梁与连续梁桥的震害、抗震关键技术研究及应用情况。1.2 极重灾区公路桥梁震害统计图2极震区桥梁破坏情况与断层走向、烈度分布的关系汶川地震中公路桥梁震害也极为严重（图1）。震后公路桥梁检测表明：位于度及以上区域内被调查的1105座国省干线公路桥梁中，有49.4%的桥梁表现出明显震害，其中17.9%的桥梁出现了影响其承载能力的损伤。特别是在以映秀与北川两个度区附近的284座公路桥梁中，出现震害的桥梁比例高达85.9%，而出现影响其承载能力损伤的桥梁比例也达到55.3%。1.3 中小跨径梁式桥震害主要类型及震害统计汶川地震中梁式桥的主要震害有
4、：梁体发生纵横向移位，对于斜交桥，梁体还发生了刚体平面转动。当主梁位移量超过搭接长度时，则出现落梁（图3、图4）；严重的墩梁相对位移导致了支座、伸缩缝和挡块破坏（图5、图6）；部分桥墩墩顶、墩底以及结点等潜在塑性铰区域内出现开裂、压溃、剪切破坏等震害（图7），这一点在连续梁桥的固定墩中表现最为明显；部分连续梁桥与连续刚构桥梁体开裂。图3 都江堰至映秀高速公路岷江庙子坪大桥出现落梁图4 G213线独秀峰大桥发生主梁刚体转动图5 梁体移位、挡块破坏（湔江河大桥）图6 G213线白水溪大桥支座卷曲图7 G213线百花大桥墩底压溃表1 简支体系桥梁、连续梁震害情况简表桥梁规模破坏程度简支梁桥连续梁桥大
5、桥中桥小桥小计大桥中桥小桥小计无破坏或破坏不明显381092073541405轻微破坏7384662231405中等破坏413710883609严重破坏1083213104完全损毁或失效942153003小 计1712422887011115026被调查的1105座桥梁中，共有简支桥共701座，连续梁桥26座，其破坏情况见表1。简支体系桥梁中，严重破坏或完全损毁的桥梁共36座（其中17座因次生地质灾害引起），所占比例为5.14%。连续梁中，严重破坏或完全损毁的桥梁共7座。1.4 梁式桥构件受损统计汶川地震影响范围广，震区内道路类型众多，修建年代跨度大，为使统计数据更具可比性，故选择以震源地映秀
6、镇附近的3条公路（都江堰至映秀高速公路、国道213线都江堰至映秀段、映秀至汶川二级路）上的127座桥梁构件破坏情况进行统计分析。1）主梁移位情况统计在这127座桥梁中共有582跨（不含庙子坪大桥主桥）。除受次生地质灾害影响而破坏的28跨外，其余554跨梁体中，有6跨发生落梁，57跨丧失可靠支承，403跨发生了一定的移位，其余88跨未发生明显的主梁移位。2）桥墩破坏情况统计在这127座桥梁中，共有桥墩485个，墩型以排架墩为主。其中彻底关大桥10#墩受巨石崩塌冲击损坏，不计入统计。被统计的484个桥墩中，发生断裂、倾覆的桥墩共计19个；发生压溃、严重开裂、剪切破坏等严重影响桥墩承载能力震害的桥墩
7、共计11个；开裂的桥墩共计27个；其余427个桥墩墩身未出现明显的震害。3）挡块、支座破坏情况统计因梁体的主要震害表现为刚体位移，只要上部梁体产生了移位，必定会造成支座损坏。为方便统计，将同一支撑线上的支座定义为1组，其中只要有1个支座损坏即为该组支座破坏。在这127座桥梁中，共使用支座1092组，其中532组支座发生了滑移、脱空、剪切等破坏，破坏支座占总数的48.7%。除极少量桥梁采用摆轴支座和盆式橡胶支座外，绝大多数均采用板式橡胶支座。与支座情况类似，对于同一截面上的挡块计为一组，在当其中一个挡块发生破坏，即计为该组挡块破坏。在这127座桥梁中，共使用挡块615组，其中339组挡块发生了破
8、坏，破坏比例占总数的55.1%。表2 梁式桥震害情况简表震害情况统计部位出现震害(%)未出现震害(%)完全失效严重震害一般震害主梁移位情况1.110.372.715.9桥墩破坏情况3.92.35.688.2支座破坏情况48.751.3挡块破坏情况55.144.91.5 公路弯桥、斜交桥震害汶川地震位于山区，公路桥梁中弯桥、斜交桥的比例大，在统计的G213线映秀至汶川段的55座桥梁中，直线斜交桥数量22座，比例为41.8%；斜交曲线桥及曲线桥各10座，各占18.18%（该路段桥型破坏统计表见3）。弯、斜的震害体现了山区桥梁的独特破坏特点，具体震害如下：表3 G213线映秀至汶川桥型破坏情况统计表
9、破坏等级曲线桥斜交曲线桥直线桥斜交直线桥(座)(%)(座)(%)(座)(%)(座)(%)A无破坏或轻微破坏550110753.8522.7B中等破坏220550430.81254.6C严重破坏22011000.0 313.6D完全损毁110330215.429.11）弯桥震害在统计范围内的弯桥主要有弯简支体系桥梁和弯连续梁桥两类。与直线桥相比，两类弯桥出了出现与直线桥相同的震害外，其自身震害具有以下特点：梁体横向移位比直线桥大；桥梁支座破坏更严重；桥墩破坏比直线桥严重。在地震中出现了同一座桥中曲线段联跨出现倒塌，而直线段联跨虽然破坏严重，但未倒塌的现象（如百花大桥）。图8百花大桥位于曲线段第五
10、联桥跨塌2）斜交桥震害斜交桥梁体除纵横向移位外，普遍伴随梁体平面转动，且转动方向均为锐角向外，即为增大斜交角的趋势。如映秀至汶川公路的兴文坪大桥（图10），斜交30度。梁体的主要震害为纵横向移位及平面转动。第1跨主梁梁端相对于桥台向右横向移位30cm，第3跨主梁向右相对移位35cm，第5跨主梁左相对移位33cm，全桥存在明显的刚体平面转动，且亦按斜交角增大的趋势转动（图11）。 图10 直线斜交的兴文坪大桥出现梁体平面转动图11兴文坪大桥震害简图2 桥梁抗震关键技术研究根据汶川地震中的中小跨径桥梁破坏情况，本文主要阐述中小跨径梁式桥抗震关键技术的部分研究成果，拱桥的抗震关键技术还在研究中。2.
11、1 中小跨径梁式桥抗震性能的研究针对中小跨径简支体系桥梁、连续梁桥在抗震中的不同表现，开展梁式桥抗震概念设计中的桥梁型式选择、联孔布置、支座布置等三个方面的研究。2.1.1 桥梁结构型式的选择选择都汶高速某桥梁（图12），该桥位于8度地震区内，选择了简支梁（模型1）、连续梁（模型2）两种桥型作比较，其中简支梁采用桥面连续、板式橡胶支座，连续梁在2#、6#墩顶布置铰接支座，其余桥墩布置活动支座。两个模型均在0#、8#台及4#墩顶设置伸缩缝，。桥墩均采用双柱圆形墩，简支梁设盖梁，连续梁则未设置盖梁。图12模型1桥型布置地震动输入采用都汶高速公路地震安评报告中50年超越概率10的地震动时程，峰值加速
12、度为0.216g。各墩墩底截面纵向响应如图13、14所示。图13 弯矩响应图14剪力响应从图13、图14可看出，简支梁桥各墩弯矩分配较连续梁均匀，在剪力分配方面，简支梁均呈现出矮墩剪力较其它墩大；连续梁则表现为布置铰接支座的桥墩水平力明显较其它桥墩要大。综合来看，简支梁各墩墩底的弯矩和剪力分配较连续梁要均匀得多，是一种适用于高烈度地区桥型；对于连续梁在高烈度地区使用时应采取其它辅助措施改善桥墩水平力的均匀分配。2.1.2 简支梁桥桥面连续的作用及联孔长度汶川地震中桥面连续的简支梁表现出较好的抗震性能，且一联以内的主梁表现出良好的整体性。在上述模型1的基础上对桥面连续的作用进行了研究。为进行对比
13、分析，共构思了4种情况，模型1为430m430m布置，每一联中各跨间为桥面连续，模型1-1为各跨互不相连，模型1-2为8孔相联，即除桥台处设置伸缩缝外，其余各跨间均为桥面连续，模型1-3为330m530m布置，即在3#墩顶设置伸缩缝，其余跨间为桥面连续。图15、图16中给出了纵向激励作用下4种情况的桥墩墩底的弯矩和剪力。图15各桥墩弯矩图16各桥墩剪力从图16可看出，不设桥面连续时（模型1-1）各墩的剪力分配较为均匀，其余3种情况的剪力分配规律较为接近，均表现为矮墩分配的剪力较多，高墩分配的剪力较少。进一步比较其余模型1、1-2、1-3情况可看出，全桥联孔的情况（模型1-2）矮墩的剪力最大，模
14、型1的情况次之，模型1-3的剪力最小。综合来看以模型1-3最优，其原因在于模型1-3在1联之内各墩的组合抗推刚度最为接近。上图表明，桥面连续的存在对各墩剪力、弯矩分配均有较大影响，通过联孔的适当选择可以在一定程度上调整各墩的内力分配。联孔布置的原则应是使一联之内各墩的抗推刚度尽量接近。2.1.3 支座布置在山区公路中，由于地形限制，墩高有时相差悬殊，仅通过联孔长度的调整不一定能满足一联之内各墩的抗推刚度相近的条件，注意到对于采用板式橡胶支座的简支梁桥，影响各墩内力分配的是各墩的组合抗推刚度，这不仅与桥墩自身的刚度有关，还与支座的剪切刚度有较大关系，可以通过调整支座剪切刚度来调整各墩的组合抗推刚
15、度。为便于比较，建立了3个计算模型，均以模型1为基础，只变化支座的剪切刚度。考虑到支座的平面尺寸主要取决于支座反力，一般情况下应优先满足常遇荷载的要求，因此，调整支座刚度的途径主要是调节各支座的高度。模型a为所有支座橡胶层总厚度均为42mm，模型b在模型a的基础上将1#墩支座橡胶层总厚度改为60mm，7#墩支座则改为71mm，模型c在模型a的基础上将7#墩支座则橡胶层总厚度改为71mm。在纵向激励下各墩墩底的弯矩和剪力分配如图17、图18所示。图17支座布置对桥墩弯矩的影响图18 支座布置对剪力的影响计算结果可以看出，三个模型的各墩剪力分配趋势一致；从3个模型的弯矩分配来看，模型b、c调整矮墩组合抗推刚度后，各墩的内力分配更趋均衡，特别是7#墩的弯矩
