汶川地震桥梁震害经验及抗震研究若干新进展_王东升

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公路交通科技
第 28 卷
图 4 曲线梁桥震害 Fig. 4 Seismic damage of curved girder bridges
地震，其西南连接线的 3 跨、西北连接线的 2 跨均 发生局部跨塌，震害原因是矮 （ 桥） 墩刚度较大承 受了很大地震惯性力导致弯剪破坏［10］。
若将美国 SR14 / I5 立交枢纽前后两次震害与百 花大桥、回澜立交匝道桥比较，相似性很值得我们 深入思考、警醒： 必须重视和深入开展曲线梁桥抗 震问题研究，尤其是在防止大震倒塌方面。 1. 3 桥梁延性抗震设计及细部配筋
（ 2） 近断层地震动效应 在发震断层附近 （ 一般小于 10 km） 因断层破 裂的方向性效应使其地震动在速度波形上表现为明 显的长周期脉冲并伴有强烈的竖向地震动分量。长 周期脉冲作用将使主梁整体沿桥纵或横向发生很大 的位移反应，当桥墩反向运动后主梁因惯性仍继续 运动将导致较大的墩梁相对位移产生，引发落梁［5］。 汶川地震中发生落梁的高原大桥、北川龙尾大桥等 距离主发震断层不足几百米 （ 见图 2） 。作者们曾详 细研究了 1976 年唐山大地震 35 孔跨径 22 m 的滦河 大桥落梁震害 （ 见图 3） ，考虑桥墩、支座及邻梁碰 撞等非 线 性 因 素， 并 以 行 波 输 入 进 行 了 时 程 分 析， 认为近断 层 地 震 动 是 落 梁 震 害 的 重 要 外 因［5］。1999 年台湾集集大地震发生落梁破坏的桥梁亦分布在发 震断层 10 km 范围之内［4］。 随着人类工程活动区域不断扩大，特别是我国 交通基础设施建设仍处于快速发展阶段，并积极地 向西部山区、农村地区拓展。在强震山区桥梁临近 活动断层情况不可避免，而目前国内关于断层地表 破裂及近断层地震动下桥梁结构地震响应的研究工
WANG Dongsheng1 ，SUN Zhiguo1 ，GUO Xun2 ，LI Xiaoli1 ，HUO Yi1
（ 1． Institute of Road and Bridge Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China； 2． Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin Heilongjiang 150080，China）
线梁桥地震破坏机理数值分析与小半径曲线梁桥地震防倒塌设计对策等。
关键词： 桥梁工程； 汶川地震； 震害经验； 曲线梁桥； 桥墩； 落梁； 近断层地震动
中图分类号： U442. 5 + 4
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 0268 （ 2011） 10 － 0044 － 10
Lessons Learned from Wenchuan Seismic Damages and Recent Research on Seismic Design of Highway Bridges
百花大桥垮塌的第 5 联为 5 × 20 m 连续曲梁桥 （ R = 66 m） ，远离映秀镇一侧为悬臂支承，如图 4 （ a） 所示。破坏原因最大可能是牛腿处支承宽度不 足且缺少纵向、竖向限位装置，导致首先发生落梁； 其次可能是薄弱的系梁、桥墩及细部构造引发［3，6］。
回澜立交匝道桥为曲线连续刚构桥 （ R = 20 m） ， 位于竖向螺旋曲线内，平面为圆形。独柱桥墩高度 在 2. 0 ～ 7. 0 m 之 间，与 主 梁 连 接 采 用 刚 构 和 铰 接 （ 盆式橡胶支座） 交替布置。震害原因主要为刚度较 大的刚构矮桥墩承受很大的惯性力，发生弯剪破坏 并引发主梁底部开裂及桥台处支座脱空［7 － 8］。
收稿日期： 2011 － 04 － 25 基金项目： 交通运输部西部交通建设科技项目 （ 2009318225100） 作者简介： 王东升 （ 1974 － ） ，男，内蒙古哲里木盟人，博士，教授，博士生导师 . （ dswang@ dlmu. edu. cn）
第 10 期
王东升，等： 汶川地震桥梁震害经验及抗震研究若干新进展
0 引言
2008 年 5 月 12 日我国四川省汶川县发生 8. 0 级 大地震，造成大 量 人 员 伤 亡， 举 国 同 悲。 地 震 中 因
山体滑坡、桥梁倒塌和公路损毁使震中区交通完全 中断，救援人员及物资不能有效到达，给地震应急 救援工作带来了极大困难，凸显交通运输生命线工 程的重要性［1 － 2］。课题组在桥梁详细震害调查基础
上溯至 1971 年美国 San Fernando 地震，接近完 工的 SR14 / I5 立交枢纽上下跨交叉的曲线连续刚构 桥 （ 跨中设有牛腿） 部分落梁 （ 见图 4） ，倒塌的原 因是结构跨中牛腿支承面过窄且限位装置强度过低， 以及钢筋混凝土墩没有配置足够的箍筋，结构延性 较差［9］。该桥建成后又经历 1994 年美国 Northridge
多资料。总结了汶川地震桥梁震害经验，认为宜重视桥梁近断层地震动响应及防落梁措施、小半径曲线梁桥地震防
倒塌设计、桥梁延性抗震设计及细部配筋和深水高桥墩地震损伤及控制等抗震问题。综述了课题组近些年对桥梁抗
震研究的若干新进展，包括梁式桥防落梁抗震设计理念及方法、钢筋混凝土桥墩地震抗剪强度及变形能力研究、曲
Abstract： The great Wenchuan earthquake，which measured as 8. 0 Ms and occurred on May 12，2008 in Sichuan province of China，has caused severe damage to many highway bridges and also left us with valuable information that can be analyzed to reduce potential losses associated with future earthquakes． The Lessons learned from Wenchuan seismic damages of highway bridges were summarized． It is believed that special attention should be paid to （ 1） bridge seismic response and unseating damages subjected to near-fault ground motions； （ 2） preventive design of collapse damage of curved girder bridges with small radius； （ 3） ductility and seismic design，detailed reinforcement of bridges and seismic damage control of high-rise piers under deep water． The recent research progress of our research team on seismic performance of highway bridges was summarized． It includes design idea and method of unseating protection of highway bridges，deformation capacity and shear strength of PC bridge piers，numerical simulation of seismic damage mechanism of curved girder bridges，and countermeasures to prevent collapse of curved girder bridges with small radius． Key words： bridge engineering； Wenchuan earthquake； curved girder bridge； bridge pier； unseating of bridge girder； near-fault ground motion
汶川地震区主要为桥面连续简支梁桥，支座多 为直接 搁 置 的 板 式 橡 胶 支 座， 地 震 中 稳 定 性 较 差， 主梁与桥墩连接较为薄弱，更多地发生横、纵向移 位，乃至落梁。这种薄弱连接一定程度降低了桥墩 的地震荷载，总体上看桥墩震害较轻，但从破坏的 桥墩、拱肋、盖梁来看，直接剪切或形成弯曲塑性 铰后的剪切破坏较为多见，延性抗震存在隐忧，最 惨痛的教训为小鱼洞大桥的垮塌 （ 见图 5） 。
近年来随着西部大开发战略的实施，西部强震 区高速及高等级公路建设发展迅速。因地形多为山 区，公路在跨越大的深谷及其江河时出现墩高百米 以上的桥梁已不罕见。汶川大地震以庙子坪大桥为 代表的百米高墩桥梁接受考验 （ 见图 6） ，除简支引 桥一跨发 生 落 梁 破 坏 外，主 桥 表 现 为： 箱 梁 开 裂， 水下桥墩裂缝 （ 5 号主墩承台以上 2 m 位置以及第 1 道横隔板处各有 1 条水平裂缝，裂缝贯通整个桥墩横 截面，宽度 0. 8 mm） 及偏位，还有交界墩处的支座 普遍破坏，以及主桥与引桥的碰撞等［11］。
第 28 卷 第 10 期 2011 年 10 月
公路交通科技 Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol. 28 No. 10 Oct． 2011
doi： 10. 3969 / j. issn. 1002 － 0268. 2011. 10. 009
作尚少，可提供的设计分析及技术手段与工程需求 仍有较大差距。 1. 2 小半径曲线梁桥地震防倒塌设计
在城市互通立交、（ 山区） 高等级公路等桥梁Байду номын сангаас 计中，受场地、环境条件制约以及从减少占地的经 济因素考虑，目前小半径曲线梁桥 （ 通常半径 R ＜ 100 m，桥长 L ＜ 100 m） 已较多出现。在汶川地震 中，百花大桥、回澜立交匝道桥 2 座小半径曲线梁 桥发生垮塌、桥墩毁损等严重破坏。
剪强度计算重视不够，以致拱肋和腹杆配箍率偏低， 为 6@ 200 且为单肢，无加密区、无 135° 弯钩及嵌 固于混凝土之内； 纵筋保护层厚度 3 ～ 5 cm 不等且在拱 脚处部分截断，以绑焊接相连，这些都会导致粘结不 足。图 5 （ d） 清晰展示了拱肋的破坏模式及薄弱环节： 其垂直 （ 拱肋） 向裂缝为弯曲引起、斜向裂缝为剪切 破坏、沿纵筋方向裂缝则表现为粘结破坏。 1. 4 深水高桥墩的地震损伤及控制
汶川地震桥梁震害经验及抗震研究若干新进展
王东升1 ，孙治国1 ，郭 迅2 ，李晓莉1 ，霍 燚1
（ 1. 大连海事大学 道路与桥梁工程研究所，辽宁 大连 116026； 2. 中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）
摘要： 2008 年 5 月 12 日我国四川省汶川县发生 8. 0 级大地震，造成大量公路桥梁破坏，并为桥梁抗震研究留下了众
1） ，可认为是中国大陆首例因断层穿过而产生落梁 震害桥梁［3］。在汶川大地震之前发生的 1999 年台湾 集集大地震，断层地表破裂亦长达 100 余 km，造成 乌溪桥、碑 丰 桥、一 江 桥、名 竹 大 桥 等 多 座 桥 梁 毁损［4］。
图 1 高树大桥震害 Fig. 1 Damage of Gaoshu bridge
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上，对涉及的强震区简支梁桥防落梁设计、钢筋混 凝土桥墩抗剪强度及变形能力、小半径曲线梁桥地 震倒塌机理等若干问题进行了初步研究。希望对推 动我国桥梁抗震技术进步有所帮助。
1 汶川地震桥梁震害启示
1. 1 桥梁近断层地震动响应及防落梁 汶川地震较多简支梁桥发生落梁震害，原因除
地震山体滑坡次生灾害外，还表现为： （ 1） 断层地表破裂影响 位于映秀镇平行于岷江建造的高树大桥 （ 见图