512汶川地震多起橋梁落梁事故成因分析

512汶川地震多起橋梁落梁事故成因分析

1橫向殘留位移落梁是迄今為止地震中最常見的地震類型之一。在2008年發(fā)生的“5.12”汶川大地震中,亦有多座橋梁發(fā)生了落梁現(xiàn)象(表1),圖1為部分落梁橋梁震后照片。每一座橋梁的落梁現(xiàn)象不盡相同,都江堰廟子坪大橋一孔簡(jiǎn)支梁沿橋梁縱向墜落水中,各墩橫向擋塊破損嚴(yán)重;百花大橋第5聯(lián)曲線連續(xù)梁倒塌,實(shí)際上是始于邊孔落梁,進(jìn)而導(dǎo)致的曲線梁段連鎖坍塌;石蓑衣大橋北川側(cè)第5孔部分梁體橫向落梁,其余各跨橫向殘余位移較大,橫向擋塊完全失效;都江堰高原大橋各跨縱橫向移位嚴(yán)重,高原側(cè)第2孔梁整孔沿縱橋向落梁,橋臺(tái)翼墻倒塌;平武縣南壩新橋兩側(cè)梁體橫向部分落梁,中部主梁完全墜落水中,橋臺(tái)移位明顯;映秀鎮(zhèn)高樹大橋地震中主梁沿縱向落梁,進(jìn)而導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。以下首先推測(cè)了廟子坪大橋及百花大橋的落梁過程及成因,其次,探討了地震中落梁的一般特征,并提出若干防落梁措施。2對(duì)川河地震中典型橋梁的下降地震風(fēng)險(xiǎn)分析2.1引橋第3聯(lián)梁體落梁的構(gòu)造原因廟子坪大橋修建于紫坪鋪水庫中,橋位至映秀鎮(zhèn)(震中)的直線距離約10km,全長1436m,橋面凈寬22.5m,分為主橋(第2聯(lián))和引橋兩個(gè)部分,從都江堰至汶川方向看,橋跨布置為(2×50m)+(125m+220m+125m)+(5×50m+4×50m+4×50m+4×50m),各聯(lián)橋跨編號(hào)如圖2所示。主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面連續(xù)剛構(gòu),墩頂處梁高13.5m,跨中及邊跨直線段梁高4m,采用空心薄壁高墩,P4墩高102.5m,P5墩高99.5m,連續(xù)剛構(gòu)邊跨通過盆式橡膠支座支承在P3與P6墩頂。引橋?yàn)檠b配式混凝土簡(jiǎn)支T梁橋,橫向排列10片,跨度均為50m,通過橋面連續(xù)構(gòu)造形成2跨、4跨或5跨一聯(lián),聯(lián)間設(shè)有伸縮縫,采用板式橡膠支座支承。在汶川地震中,橋跨落梁發(fā)生于P10與P11墩間,同時(shí)P6至P10墩之間梁體縱橫向移位嚴(yán)重。各橋墩上的橫向抗震擋塊破損嚴(yán)重,由此可知地震波沿橋梁縱向及橫向兼有輸入。值得注意的是,墩梁連接處沒有設(shè)置縱向限位裝置,僅靠橡膠支座連接,無法控制墩梁錯(cuò)位,易發(fā)生落梁。下面根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征、支承連接構(gòu)造、落梁后梁端及墩頂遺留的痕跡,來推斷落梁孔發(fā)生在P10墩與P11墩間的原因。首先,在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征方面,各聯(lián)橋墩高度均較大,其中主橋最高墩高達(dá)102.5m,不妨假設(shè)地震中橋墩處于彈性階段,墩頂位移與橋墩高度L的平方成正比,若橋墩進(jìn)入塑性墩頂位移還將加大。因此,對(duì)于百米橋墩而言,地震中橋墩的振動(dòng)位移量非常可觀。其次,各聯(lián)橋跨布置及墩高的差異,反映了質(zhì)量和橋墩剛度的不同,因此各聯(lián)橋跨的縱向振動(dòng)周期及地震中的位移反應(yīng)不盡相同。初步分析表明,主橋連續(xù)剛構(gòu)的縱向自振周期最短,而毗鄰第3聯(lián)的周期最長,且隨墩高降低(接近岸邊)引橋各聯(lián)的縱向自振周期逐漸降低,因此可以推測(cè)地震中第3聯(lián)引橋會(huì)不停地與左右毗鄰聯(lián)相互撞擊。在支承連接構(gòu)造上,注意到第3聯(lián)兩端橋墩的蓋梁構(gòu)造不同:P6墩蓋梁橫截面呈L形,而P11墩蓋梁為矩形截面,如圖3所示。蓋梁構(gòu)造的不同引發(fā)了以下三個(gè)值得注意的地方:①P11墩為引橋邊墩而P6墩為主橋邊墩,由于上部結(jié)構(gòu)自重的差異,P11墩截面尺寸小于P6墩,因此P11墩處蓋梁寬度也小于P6墩蓋梁,P6墩提供了較P11墩更大的主梁擱置長度,地震中不易發(fā)生落梁;②由于引橋連續(xù)橋面長為200m,而主橋?yàn)?70m,因此P11墩處伸縮縫寬度小于P6墩處縫寬,當(dāng)?shù)?聯(lián)引橋在地震中向汶川側(cè)振動(dòng)并與第4聯(lián)碰撞時(shí),第3聯(lián)梁體受到撞擊力向都江堰側(cè)滑移,這時(shí)P6墩處伸縮縫能夠?yàn)榱后w瞬時(shí)縱向滑移提供更大的空間;③P6墩處的L形截面蓋梁的突起部分可以限制主橋梁體對(duì)第3聯(lián)梁端的碰撞位移量,避免將第3聯(lián)擠壓過度而墜落。同時(shí),結(jié)合落梁后有關(guān)部位的破損殘跡可以推測(cè),引橋第3聯(lián)梁體在P11墩頂處落梁過程經(jīng)歷了如下兩個(gè)階段:①主梁滑落支座墊石階段,如圖4(a)所示;②主梁滑落蓋梁階段,如圖4(b)所示。地震中,第3聯(lián)橋主梁首先從P11墩頂處橡膠支座及支座墊石上滑落至橋墩蓋梁,支座亦被扭曲成U形,現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片如圖5(a)所示。滑落后的主梁無法重新回到墊石上,在持續(xù)振動(dòng)中,主梁進(jìn)一步滑離蓋梁檐口,梁體端面傾斜地?cái)D壓摩擦P11墩蓋梁棱邊,支座墊石邊緣及蓋梁棱邊的破損嚴(yán)重,如圖5(b)所示。而P10墩頂蓋梁邊緣無擠壓摩擦破損痕跡,但橋面鋼筋被墜落梁體拉斷,如圖5(c)所示。在落梁過程中,P6墩至P10墩間梁體由于受到脫落梁體與P11墩間的擠壓力而移位嚴(yán)重,在擠壓過程中P6墩頂處伸縮縫寬度明顯減小,如圖5(d)所示。當(dāng)?shù)?聯(lián)引橋向汶川側(cè)振動(dòng)時(shí),由于其縱向自振周期與第4聯(lián)不同,在P11墩頂處兩聯(lián)梁體相互碰撞,第3聯(lián)梁體受到撞擊力后向都江堰側(cè)瞬時(shí)滑移。正如以上所述,P6墩處的較寬伸縮縫為第3聯(lián)梁體滑移提供了移動(dòng)空間,而此時(shí)第3聯(lián)橋墩仍向汶川側(cè)振動(dòng)且振動(dòng)位移量大,這使得梁體與橋墩產(chǎn)生較大的相對(duì)錯(cuò)位。來回振動(dòng)多次后,梁體首先滑落支座墊石至橋墩蓋梁上,并逐步滑落P11墩頂檐口,最終導(dǎo)致第3聯(lián)引橋P10墩與P11墩間梁體因失去支承而墜落。2.2連續(xù)梁橋式結(jié)構(gòu)百花大橋位于國道213線,橋址距映秀鎮(zhèn)約2km,全橋共6聯(lián),跨徑分布為(4×25m)+(5×25m)+50m+(3×25m)+(5×20m)+(2×20m),全長496m,橋梁平面線形呈“S”形,從汶川至都江堰方向,第1聯(lián)、2聯(lián)位于150m半徑左偏曲線,第5聯(lián)、6聯(lián)位于66m右偏曲線,第1聯(lián)、第2聯(lián)及第5聯(lián)、第6聯(lián)之間采用牛腿搭接過渡,如圖6所示。除第3聯(lián)為簡(jiǎn)支T梁外,其余各聯(lián)均為連續(xù)梁橋。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩,無蓋梁僅在高中央有系梁連接。第5聯(lián)、6聯(lián)的各墩墩高列于表2。其中,第5聯(lián)P16墩及第6聯(lián)P19墩為固定墩,注意到P16墩高約為P19墩的4倍,這說明第5聯(lián)、6聯(lián)橋墩剛度差較大,且第5聯(lián)橋址處有南北走向斷層通過,如圖6、圖7所示。地震主振動(dòng)方向與斷層走向垂直,橋位處地震波主要沿橋梁縱向輸入,因此地震中第5聯(lián)、6聯(lián)梁體縱向振動(dòng)位移差大,故首先在牛腿搭接處發(fā)生落梁。當(dāng)?shù)?聯(lián)、6聯(lián)的梁體相對(duì)位移超過牛腿處擱置長度時(shí),P17墩與P18墩間梁體首先墜落,如圖8(a);由于百花大橋所有橋墩均采用直徑8cm箍筋間距20cm布置,體積配箍率為0.048%～0.067%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。P17墩無法承受由脫落梁段產(chǎn)生的附加軸壓及彎矩而首先壓潰坍塌,此時(shí)第5聯(lián)梁體向汶川側(cè)振動(dòng),P17墩破損墩體受振動(dòng)梁體牽引向汶川側(cè)墜落,如圖8(b);隨后產(chǎn)生類似“多米諾骨牌”效應(yīng),P16,P15及P14墩依次受到鄰跨墜落梁段牽引而倒塌,且破損墩體向都江堰側(cè)方向墜落,如圖8(c)。可見,百花大橋第5聯(lián)橋整體坍塌始于P17墩與P18墩間結(jié)構(gòu)落梁。3橫向耦合變形地震中伸縮縫處墩梁相對(duì)位移過大,是引發(fā)上部結(jié)構(gòu)落梁的直接原因。通常來講,直橋落梁多沿縱橋向而較少沿橫橋向,例如廟子坪大橋、高原大橋及高樹大橋等。這主要是因?yàn)榭v橋向伸縮縫處允許釋放位移,而橫橋向通常有抗震擋塊限制上部結(jié)構(gòu)橫向移位。但如果橋跨橫向剛度不同,且包含剛性橋臺(tái)時(shí),直線橋仍有可能產(chǎn)生橫向移位,如廟子坪大橋及高原大橋橫向擋塊普遍開裂破壞。對(duì)于橫向裝配式橋梁,如石蓑衣大橋,在橫向地震動(dòng)激勵(lì)下,邊梁產(chǎn)生過大的橫向位移而墜落。由于地震中縱橫向振動(dòng)分量的共同存在,斜彎橋會(huì)比直線橋產(chǎn)生更大的位移。一般來說,一個(gè)任意方向的地震將會(huì)使曲線梁橋伸縮縫處產(chǎn)生縱橫向耦合的移位,使伸縮縫展開或閉合,如圖9(a)所示,百花大橋曲線連續(xù)梁橋地震中縱橫向位移大,牛腿搭接構(gòu)造處擱置長度有限,發(fā)生落梁難以避免。對(duì)于斜梁橋,如圖9(b)所示,任何角度的地震方向都可能會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)鈍角處受到約束,產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),且這種轉(zhuǎn)動(dòng)有逐漸累積的趨勢(shì),最終導(dǎo)致其銳角處失去支承而引發(fā)落梁,南壩新橋?yàn)楹?jiǎn)支空心板斜交橋,地震中10跨主梁均墜入河中。當(dāng)聯(lián)間相向移位超過伸縮縫寬度時(shí),梁間將產(chǎn)生碰撞。廟子坪大橋由多聯(lián)多跨組成,橋墩高度大。因此,各聯(lián)振動(dòng)位移顯著,且振動(dòng)位移不同步,聯(lián)間頻繁碰撞。正如先前所述,碰撞效應(yīng)加大了墩梁間相對(duì)移位,導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)落梁。因此,對(duì)于高墩多聯(lián)橋梁必須設(shè)置合理防落梁措施。同時(shí)注意到,廟子坪大橋上下部結(jié)構(gòu)采用板式橡膠支座連接,地震中能起到一定的隔震效果,避免了上部結(jié)構(gòu)慣性力傳至下部結(jié)構(gòu),地震中該橋橋墩損傷較小,但帶來的代價(jià)是放大了上部結(jié)構(gòu)的位移,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)落梁。4橋梁防落梁措施設(shè)計(jì)由于地震隨機(jī)性大,無法完全依靠定量的計(jì)算來防止結(jié)構(gòu)落梁。歷次地震經(jīng)驗(yàn)表明,在計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合橋梁落梁的一般特征,合理地設(shè)置防落梁措施往往更加有效。橋梁防落梁措施設(shè)計(jì)主要從以下兩個(gè)方面考慮:第一是橋梁擱置長度設(shè)計(jì),擱置長度是指防止橋梁上部結(jié)構(gòu)脫離支承而需要確保的梁端到下部結(jié)構(gòu)邊緣的距離;第二是限位裝置的設(shè)計(jì),限位裝置是指在墩梁之間或梁間設(shè)置的限制橋梁地震中過大移位的裝置。4.1中美兩國規(guī)范對(duì)梁的間距和布置高度的分析加大主梁擱置長度,可以經(jīng)濟(jì)有效地防止結(jié)構(gòu)落梁。我國《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB021-01—2008)中對(duì)擱置長度做了如下規(guī)定:簡(jiǎn)支梁梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣應(yīng)有一定的距離,最小值a(cm)取70+0.5L,其中,L為梁的計(jì)算跨徑,以m為單位,如圖10所示。美國AASHTO規(guī)范也對(duì)橋梁擱置長度給出了最低要求,如式(1)所示。a=(0.2+0.0017L+0.067H)(1+S28000)(1)a=(0.2+0.0017L+0.067Η)(1+S28000)(1)式中,L代表梁段計(jì)算跨徑(m);H為兩相鄰聯(lián)橋墩平均高度(m);S為支承的斜交角。由上可見,我國規(guī)范擱置長度公式僅與橋梁計(jì)算跨徑相關(guān),而美國規(guī)范公式考慮了橋梁計(jì)算跨徑、橋墩高度以及支承斜交角。對(duì)于廟子坪大橋此類高墩橋梁,地震中振動(dòng)位移量大,單由計(jì)算跨徑選取的擱置長度可能偏小,應(yīng)適當(dāng)加大擱置長度。4.2防止kf3型結(jié)構(gòu)落梁的裝置在梁間或墩梁間安裝限位裝置,可以有效地限制地震中的結(jié)構(gòu)位移。限位裝置按工作順序可分為第一裝置和第二裝置。第一裝置是指地震發(fā)生時(shí),最初開始工作的裝置,一般依靠材料強(qiáng)度抵抗地震力。通常來講,第一裝置用來抵抗相應(yīng)烈度地震導(dǎo)致的墩梁移位差;而第二裝置是指當(dāng)橋梁遭遇高烈度地震且第一裝置破壞后,為防止上部結(jié)構(gòu)落梁所設(shè)置的最后一道防線,如圖11所示。由現(xiàn)場(chǎng)勘查情況,廟子坪大橋、百花大橋等6座橋梁,縱橋向均未設(shè)置限位裝置,在強(qiáng)震下墩梁移位易克服擱置長度而發(fā)生落梁。從某種程度上講,若結(jié)構(gòu)設(shè)置了限位裝置,則可以避免梁體墜落。5防止落梁措施(1)本文根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)以及落梁現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,探討了汶川大地震中廟子坪大橋、百花大橋的落梁過程及落梁原因。廟子坪大橋整孔落梁的主要原因,是由于各聯(lián)振動(dòng)位移量大,且振動(dòng)不一致使得梁間碰撞頻繁,碰撞效應(yīng)加大了梁體與橋墩的相對(duì)位移,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)落梁。若結(jié)構(gòu)設(shè)置了墩梁連接或連梁裝置,從某種程度上講可以避免落梁發(fā)生。同時(shí),注意到我國規(guī)范中梁擱置長度取值僅與橋梁跨徑相關(guān),對(duì)橋墩高度或地基變形影響未考慮,而考慮到當(dāng)橋墩高較高時(shí),地震造成的振動(dòng)變形也大,梁在伸縮縫位置處的擱置長度應(yīng)適當(dāng)加大。百花大橋第5聯(lián)曲線連續(xù)梁橋整體坍塌,實(shí)際上起因于邊跨首先落梁