汶川大地震中的白花大橋

汶川大地震中的白花大橋

1大橋2+22004年，100米長(zhǎng)的白玉橋建成，設(shè)計(jì)荷載為博茨-20和博茨-100，地震烈度按度確定。全橋長(zhǎng)496m,橋?qū)?m,最大墩高30.3m。上部結(jié)構(gòu)分為6聯(lián),跨徑組合為(4×25+5×25+1×50+3×25+5×20+2×20)m,除第3聯(lián)采用簡(jiǎn)支T梁外(跨徑50m),其余各聯(lián)均為連續(xù)梁,第1~2聯(lián)、第5~6聯(lián)之間(第18、19跨間)采用牛腿構(gòu)造搭接。下部構(gòu)造為雙柱式橋墩、輕型橋臺(tái)、樁基礎(chǔ)。大橋全貌見(jiàn)圖1。平面上大橋第1、2聯(lián)位于左偏曲線內(nèi),第5、6聯(lián)位于右偏曲線內(nèi)?？v面上,全橋基本位于1%單坡內(nèi)。2008年5月12日,該橋在汶川大地震中遭到嚴(yán)重?fù)p毀。雖然大橋距離發(fā)震斷裂很近,距離震中映秀鎮(zhèn)只有2km,地震作用強(qiáng)烈是造成破壞最直接的原因,但仍然存在一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得總結(jié)和改進(jìn),為今后的抗震設(shè)計(jì)提供參考。2能量輸入的方向百花大橋橋位西北、東南各有一條發(fā)震斷裂通過(guò)。橋位距微觀震中10.6km,距地表破裂帶的最近距離僅1.5km。汶川地震開始于微觀震中,然后以平均2.8km/s的速度向東北方向破裂、傳播,能量輻射源的位置也不斷移動(dòng),同時(shí)有若干處能量輻射源對(duì)百花大橋共同產(chǎn)生地震動(dòng)輸入,相互疊加,情況非常復(fù)雜。另一方面,隨著能量輻射源距百花大橋越來(lái)越遠(yuǎn),其產(chǎn)生的作用也越來(lái)越小。分析以百花大橋?yàn)橹行?半徑35km內(nèi)的能量輻射源,根據(jù)地震動(dòng)作用與距離平方成反比的關(guān)系,繪制地震動(dòng)輸入玫瑰圖,見(jiàn)圖2?？梢?jiàn),能量輸入集中在北偏西、北、北偏東、東偏北等方向。總體而言,第1~4聯(lián)以橫向輸入為主,兼有縱向分量;第5、6聯(lián)以縱向輸入為主,兼有橫向分量。此外,靠近發(fā)震斷裂,豎向地震動(dòng)輸入也非常大,導(dǎo)致梁體移位。3主要地震資料3.1第5聯(lián)的震害現(xiàn)象第5聯(lián)5×20m連續(xù)梁完全傾覆倒塌,見(jiàn)圖3。本聯(lián)橋跨包括第14~18跨,主梁總長(zhǎng)98.6m,主要震害現(xiàn)象包括:①全部橋墩均已倒塌,墩柱普遍存在折斷、壓潰、系梁破壞等狀況,也有斜剪破壞,其中16號(hào)墩的剪切破壞現(xiàn)象較為明顯,見(jiàn)圖3~5。②主梁梁體混凝土壓碎,梁肋箍筋失效,主筋拉斷、崩離。倒塌后主梁斷裂或折斷的共有7處,見(jiàn)表1。其中,第2、3、4、7處,在斷裂的梁體下有殘留的墩柱,并可清晰地看到梁體與橋墩有沖撞的痕跡,因此可以判斷這幾處斷裂是由于梁體落在斷裂后的殘留樁墩上,受沖撞向上折斷的;第1、6處,是在沖擊力作用下,向下折斷。值得注意的是第5處斷裂,該斷裂點(diǎn)距本聯(lián)起點(diǎn)66m,位于預(yù)應(yīng)力錨頭截面,此處主筋被拉斷,在其下為地基,梁體上未見(jiàn)明顯的沖撞痕跡,且斷裂后的梁體有明顯的搭疊現(xiàn)象,靠近映秀的第1截主梁在上方,靠近都江堰的第2截主梁在下方,見(jiàn)圖3。通過(guò)上述的震害現(xiàn)象,結(jié)合設(shè)計(jì)圖,對(duì)第5聯(lián)的震害做簡(jiǎn)要分析。第5、6聯(lián)橋墩高度差異較大,其自振頻率不同,導(dǎo)致縱向振動(dòng)不一致。第6聯(lián)縱向位移達(dá)60cm,橋墩更高的第5聯(lián),其縱向位移更大。在第5聯(lián)各墩中,17號(hào)墩最矮,線剛度大使其承受的水平力也大,因此其墩柱底部首先開裂,剛度明顯下降,進(jìn)一步導(dǎo)致橋墩位移增大。某一時(shí)刻,當(dāng)梁體、17號(hào)墩向北偏東方向振動(dòng)時(shí)(牛腿縱向),因位移過(guò)大導(dǎo)致第18跨從第19跨牛腿上滑落,瞬間轉(zhuǎn)移增加的地震響應(yīng)使17號(hào)墩柱在塑性鉸區(qū)域失效、斷裂,17號(hào)墩柱向北偏東方向傾倒。失去支承的第17、18跨成為懸臂結(jié)構(gòu),在16號(hào)橋墩附近因負(fù)彎矩而折斷,且斷在承載能力減弱的預(yù)應(yīng)力錨頭截面,折斷后的第2截主梁向北偏東方向墜落。受第2截主梁墜落牽引,以及地震動(dòng)輸入共同作用,第1截主梁及16~14號(hào)墩向南偏東方向傾覆、倒塌。上述分析表明,主梁的破壞是由于橋墩的破壞所致,是橋墩破壞的次生震害。3.2墩柱病害情況調(diào)查下部構(gòu)造震害主要表現(xiàn)為墩柱壓潰、環(huán)向開裂,系梁開裂破壞以及擋塊、支座等的破壞。雙柱式橋墩的破壞是崩潰性的,全橋38個(gè)墩柱中倒塌、壓潰的共24個(gè),比例高達(dá)63%;環(huán)向開裂的6個(gè),占16%;墩柱病害不明顯的8個(gè),占21%。見(jiàn)表2、圖6及圖7。第1~4聯(lián)橋梁的下部構(gòu)造,橫向破壞占主導(dǎo)地位;而第5、第6聯(lián)橋梁的下部構(gòu)造,以縱向破壞為主。除第5聯(lián)外,其余墩柱共有19處壓潰,13處環(huán)向開裂,均位于潛在塑性鉸區(qū)域。通過(guò)調(diào)查墩、梁之間橫向相對(duì)滑移及橋墩的破壞情況,發(fā)現(xiàn)設(shè)置有固定支座的橋墩破壞均較為嚴(yán)重;設(shè)置板式橡膠支座的橋墩,如墩、梁之間橫向相對(duì)滑移較大,則墩柱受損程度較輕?？傊?設(shè)置固定支座的橋墩及較矮的橋墩由于其線剛度較大,而承擔(dān)了更多的地震作用,遭受破壞更為嚴(yán)重。3.3橫向破壞部位第1~4、6聯(lián)橋梁,梁體、橋面基本完好,震害主要表現(xiàn)為整體移位、平面轉(zhuǎn)動(dòng),各聯(lián)梁體的位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。第1~4聯(lián)以橫橋向向右橫移為主,伴隨少量平面轉(zhuǎn)動(dòng),其縱向位移非常小,表現(xiàn)為橫向破壞占主導(dǎo)地位。第6聯(lián)縱橋向向北位移很大,并伴隨較大的平面轉(zhuǎn)動(dòng),以及平面轉(zhuǎn)動(dòng)造成的橫橋向位移,表現(xiàn)為縱向破壞雖然為主,但橫向破壞也較為嚴(yán)重。上述情況表明,對(duì)于梁式橋梁,只要下部結(jié)構(gòu)不倒塌,上部結(jié)構(gòu)震害多表現(xiàn)為剛體移動(dòng),而主梁開裂、破壞等結(jié)構(gòu)性震害較少,這一現(xiàn)象與日本阪神地震中的情況較為相似。4地震和損傷(1)各聯(lián)梁體、橋面均未完全符合全橋約80%的橋墩均有不同程度的病害,主梁除第5聯(lián)因落梁而毀壞外,其余各聯(lián)的梁體、橋面仍基本完好,震害主要表現(xiàn)為整體移位、平面轉(zhuǎn)動(dòng),這些現(xiàn)象與日本阪神地震、美國(guó)北嶺地震的現(xiàn)象是一致的。因此對(duì)于連續(xù)梁橋的抗震,首先應(yīng)防止橋墩在地震中破壞,對(duì)于主梁主要應(yīng)防止其落梁。(2)全聯(lián)整體觀照間l第5聯(lián)整體倒塌是由于第18跨首先落梁所致,如果第18跨不從牛腿上滑落,全聯(lián)整體倒塌的慘劇應(yīng)該可以避免。在日本規(guī)范中明確以限位支座作為第1道防線,以主梁擱置寬度和主梁限位裝置作為第2道防線,對(duì)于簡(jiǎn)支梁橋,還采用防落梁裝置作為第3道防線,在美國(guó)也有類似的措施。(3)系梁和支護(hù)的選擇百花大橋的墩柱,無(wú)論直徑大小、是否是潛在塑性鉸區(qū)域,箍筋均按照20cm間距配置直徑8mm鋼筋,體積配箍率0.048%~0.067%,遠(yuǎn)不能保證足夠的約束能力,高達(dá)80%的橋墩出現(xiàn)嚴(yán)重震害與此關(guān)系密切?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查還發(fā)現(xiàn),多根墩柱的實(shí)際箍筋間距遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值,甚至超過(guò)60cm,使得配箍率不足的問(wèn)題更加嚴(yán)重,見(jiàn)圖8。(4)系梁的作用應(yīng)得到足夠的重視。在靜力荷載作用下,系梁的作用主要是提高墩柱的穩(wěn)定性,但在橫向地震作用下,系梁可使左右墩柱協(xié)調(diào)受力。在百花大橋中大部分雙柱式橋墩墩頂沒(méi)有系梁,在地震作用下,左右墩柱無(wú)法共同受力,加劇了單柱的破壞,圖6所示的3號(hào)橋墩右墩柱十分明顯,即為兩墩柱分別受力的明證。(5)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),墩柱中部的上系梁是在墩柱施工后變更增加的,系梁與墩柱間混凝土的結(jié)合面處理非常不到位,兩者之間只靠鋼筋連接,未能形成有效的受力整體,極易破壞。而一旦上系梁破壞,又使得墩柱受力更加不利,加速了墩柱的破壞。(6)支座的選型和適當(dāng)布置對(duì)連續(xù)梁橋的抗震有重要意義。百花大橋支座約束系統(tǒng)基本為:某中墩設(shè)置固定支座和縱向滑動(dòng)支座;交界墩設(shè)置雙向滑動(dòng)支座,依靠擋塊限制橫向位移;其余橋墩設(shè)置板式橡膠支座。對(duì)于固定墩,一側(cè)墩柱設(shè)置固定支座,另一側(cè)墩柱設(shè)置縱向滑動(dòng)支座(圖9)。對(duì)于第6聯(lián)橋梁,正是由于支座的這種布置方式,使得19號(hào)左墩柱單獨(dú)承擔(dān)縱向地震作用而破壞。一般橋墩上設(shè)置板式橡膠支座,能夠分擔(dān)一些地震作用,不至于全部讓固定墩來(lái)承擔(dān)。但是,豎向地震動(dòng)輸入減弱了橡膠支座抗滑移能力,又由于缺乏墩、梁之間限制相對(duì)位移的裝置,使得一部分墩柱與梁體之間發(fā)生較大的相對(duì)滑移,雖釋放了這些墩柱的受力,卻加劇了其他橋墩的受力。5橋墩破壞程度分析百花大橋是遭受直接震害、損毀嚴(yán)重的典型橋梁,通過(guò)對(duì)震害的分析可得出以下結(jié)論,在橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視。(1)地震動(dòng)輸入方向?qū)蛄旱钠茐木哂忻黠@的方向性,且造成的破壞程度不同。(2)橋墩的破壞主要表現(xiàn)為墩柱壓潰、環(huán)向開裂,系梁開裂破壞以及擋塊、支座等的破壞。破壞部位集中在橋墩