汶川地震震后公路桥梁抗震关键技术研究与应用0910修改.docx
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汶川地震震后公路桥梁抗震关键技术研究与应用0910修改
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9.4×1020Nm，相当于矩震级为MW7.9，面波震级则达8.0级。
持续时间长：
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Ⅷ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Ⅷ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Ⅺ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：
①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）；②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）；③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4G213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6G213线白水溪大桥支座卷曲
图7G213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
大桥
中桥
小桥
小计
大桥
中桥
小桥
小计
无破坏或破坏不明显
38
109
207
354
1
4
0
5
轻微破坏
73
84
66
223
1
4
0
5
中等破坏
41
37
10
88
3
6
0
9
严重破坏
10
8
3
21
3
1
0
4
完全损毁或失效
9
4
2
15
3
0
0
3
小计
171
242
288
701
11
15
0
26
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
1.1
10.3
72.7
15.9
桥墩破坏情况
3.9
2.3
5.6
88.2
支座破坏情况
48.7
51.3
挡块破坏情况
55.1
44.9
1.5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3G213线映秀至汶川桥型破坏情况统计表
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
5
50
1
10
7
53.8
5
22.7
B中等破坏
2
20
5
50
4
30.8
12
54.6
C严重破坏
2
20
1
10
0
0.0
3
13.6
D完全损毁
1
10
3
30
2
15.4
2
9.1
1）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：
①梁体横向移位比直线桥大；②桥梁支座破坏更严重；③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3～5cm，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。
2.1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。
为进行对比分析，共构思了4种情况，模型1为4×30m＋4×30m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3×30m＋5×30m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#墩的弯矩有了较大幅度的下降。
这表明通过调整支座高度的方式来优化桥墩内力是可行的。
2.2弯桥、斜交桥的抗震研究
针对汶川地震中弯桥、斜交桥的比重大，且破坏比直线桥严重的特点，开展弯桥、斜交桥的抗震研究。
2.2.1弯连续粱桥抗震性能研究
对常见的匝道桥，采用标准跨径25米，共5跨的一联桥进行计算，弯曲半径分别采用∞、800、400m、300m、200m、150m、100m、50m、35m。
桥墩墩高20米，进行对比计算。
通过对连续粱弯曲半径变化的对比分析计算，得到如下结论：
1）弯曲半径800、400m时，桥墩响应（弯矩和内力）与直线桥相差小于7％，可以按直线处理：
地震动方向，可以按桥轴线纵、横桥向单独输入。
2）弯曲半径小于300米后，桥墩响应加大，在半径为50m，弯矩响应增大36%。
同时响应与地震动的输入方向有密切的关系，水平地震动方向，应考虑多角度的输入，得到不同桥墩的地震响应。
3）随着半径的减小，主梁的弯扭耦合效应逐渐加大，加大了桥墩的地震响应。
4）随着半径的减小，主梁与桥墩间的相对位移加大，容易造成连续桥梁支座的破坏。
2.2.2斜交简支体系桥梁抗震性能研究
假定30米跨的简支体系桥梁分别采用正交和斜交45度两种情况，进行定性对比抗震分析。
对比分析表明：
在纵向激励作用下，斜梁桥的梁体支反力响应与正交桥差别不大。
在横向激励作用下，斜交桥钝角位置和锐角位置的支反力不同（图19、图20）
图19斜交桥横向地震输入时支座反力
图20正交桥横向地震输入时支座反力
斜桥的支反力分布是不均匀的，钝角处的反力最大，锐角处的反力最小，对于采用板式橡胶支座的桥梁，在水平向地震作用下，由于钝角处的支座摩擦力大，支座的约束较大，而锐角支座的约束较小，这样支座抗力的中心与惯性力中心不重合，构成了绕竖向的转动力矩，导致主梁发生绕竖向的转动（刚体转动）。
若约束主梁位移，则将导致桥墩受扭。
图21斜交桥的刚体转动示意图
2.3简支体系桥梁减隔震技术体系化与实用化研究
桥梁震害统计表明：
主梁发生移位现象比较普遍，且出现落梁现象。
同时通过调查发现，灾区公路桥梁绝大部分采用了板式橡胶支座。
这种现象说明了隔震装置（板式橡胶支座）的有效性。
根据这一现象，系统地研究中小跨径桥梁隔震技术的体系化与实用化研究。
2.3.1简支体系桥梁减隔震技术的体系化研究
对于减隔震技术，特别是减隔震支座的使用，我国大多使用在民用建筑物中，而在桥梁中大多运用于现浇结构或钢桥，对于目前最为常见的中小跨径预制简支梁桥涉及较少。
减隔震技术对于桥梁比例较高的山区高速公路，很难做到对各座桥都进行支座参数分析。
故通过数值分析的方式，选取数座具有代表性的桥梁，以实际震害情况验证地震动输入参数，分别对我国目前常见的小吨位预制简支体系桥梁在不同地质条件、不同抗震设防标准下的减隔震支座最优设计参数进行研究，并根据最优设计参数选定适合不同类型桥梁在不同的抗震设防等级下最为适宜的减隔震支座型号，从而形成一套完善的、满足工程精度要求的减隔震技术体系（选取汶川映秀地区的地震动参数）。
不同跨径下隔震支座性能参数分析；针对常见的主梁形式有空心板、预应力混凝土小箱梁与预应力混凝土T梁，以及常见的20米、25米、30米、40米等四种跨径，采用相同的桥墩抗推刚度，进行隔震支座的参数分析，确定在相同桥墩抗推刚度情况下，不同跨度，不同梁体的支座参数。
不同高度桥墩支座性能参数分析；对于简支体系桥梁墩高越高，其水平线刚度越小，采用相同跨径及相同梁体的孔跨，变化不同的桥墩水平线刚度（采用变化桥墩高度来实现），得到不同桥墩线刚度下的支座参数。
针对不同设防等级的支座参数分析；与不同跨径、不同桥墩高度的支座进行参数研究类似，对于不同抗震设防烈度桥梁的减隔震支座参数研究，同样也是采用数值分析的方法，分析1~2个典型桥位在不同的抗震设防等级下的减隔震支座性能参数的选取。
最终隔震支座设计参数的确定；综合分析上述三种情况下，减隔震支座各设计参数对常见类型桥梁在不同跨径、不同墩柱形式、不同墩高与不同设防等级下的桥梁抗震性能的影响量、显著性与影响趋势，得到针对常见桥梁在不同的抗震设防等级下最优的减隔震支座设计参数，并通过大量的数值模拟的方式，选取数十个计算样本，得到中小跨径桥梁隔震支座的设计参数。
在进行支座参数优化选择的基础上，根据实际减隔震支座的尺寸、厚度、刚度、阻尼特性等参数，确定了支座选取表，从而避免了对大量单一桥梁进行逐个计算的技术难题。
2.3.2减隔震支座的实用化研究
从目前国内外减隔震支座的运用看，减隔震支座多使用在现浇连续结构中，而对于中小跨度预制简支位桥桥梁中的运用还较少。
1）支座与梁体的配合
简支体系桥梁的支承宽度较窄，而相对于普通板式橡胶支座，减隔震支座的抗剪刚度较小，为避免在正常使用情况下减隔震支座出现过大的变形，则需对使用减隔震支座的桥梁的梁体限位装置进行单独设计。
2）支座与梁体的装配协调
对于预制简支体系桥梁，由于梁体的制作是在制梁场，对于普通板式橡胶支座的桥梁而言，仅需要将梁体放置在支座上即可，而隔震支座的安装则需将上、下钢板分别预埋至盖梁和主梁中。
鉴于此，我院进行专门研究，提出适宜于施工的两个解决方案，一是在主梁底预埋锚杆，通过锚栓将主梁与支座连接成为一个整体；二是通过在主梁下预埋钢板，再通过焊接的方式将主梁与支座的上钢板焊接在一起，以形成整体。
图22通过锚栓连接主梁与支座的案例
2.4简支体系桥梁防落梁措施研究
汶川地震中，主梁严重移位，甚至发生落梁等震害，各国规范分别从盖梁支承长度、挡块设置及限位、连梁装置等构造措施方面进行规定以防止落梁震害的发生。
2.4.1纵向防落梁构造措施
防止主梁纵向落梁风险，须将支座、梁体支承长度、主梁限位装置作为一个整体进行研究。
支座的剪切刚度大，梁体支承长度较长对减少落梁风险是有利的。
通过研究采用以下两种措施：
采用T型盖梁，增加盖梁顶面宽度，达到增加支承长度的效果，同时对工程量影响较小；
研发专门的纵向防落梁装置，作为纵桥向防落梁的最后防线。
研发了两种纵向防落梁装置，
具有缓冲减震功能的缓冲防落梁装置（图23）；
拉索式防落梁装置（图24图）。
图23缓冲链式落梁防止装置的链条结构
图24拉索式落梁装置
缓冲防落链装置将梁体与墩台相连，在墩台与梁体的相对位移达到一定程度时，缓冲橡胶将通过变形增加桥梁局部构件的阻尼比，从而达到减振的作用。
而当相对位移继续增加，超过了橡胶的变形能力时，缓冲橡胶与铁链将通过变形耗散能量，从而减小地震动效应对桥梁主体结构的影响。
钢绞线拉索防落梁装置在地震作用下通过设置在拉索两端的减震弹簧进行破坏耗散能量。
2.4.2横向防落梁措施
汶川地震中简支体系桥梁横向砼挡块破坏较为严重，混凝土挡块的设置，有效地减少了汶川地震中梁体的横向落梁风险，证明是成功的。
但混凝土挡块是刚性挡块。
在总结汶川地震典型梁式桥震害的基础上，我院与同济大学提出了一种新的限位装置——弹塑性钢挡块（如图图25所示），弹塑性挡块不但可以防止地震中横向落梁，还可以合理分配横向地震力，并且利用钢材的弹塑性性能，耗散地震能量。
图25弹塑性挡块在实际桥梁中的运用
3桥梁抗震技术在实际工程中的运用
新建映秀至汶川高速公路沿岷江两岸布展，设置了22座跨岷江的跨河桥和其它数量众多的顺河桥及跨线桥，几乎均为中小跨度简支梁桥。
根据《场地地震安全性评价报告》，50年10％超越概率下地震动峰值加速度估为216gal，因此桥梁的抗震设计在映秀至汶川高速公路中显得尤为重要，
根据抗震的研究成果，在新建映秀至汶川高速公路的桥梁设计中，主要应用了以下科研成果。
（1）在桥型选择上，选取桥面连续的简支体系桥梁为主，同时对桥面连续结构进行加强；另外，尽量采用正交桥梁；
（2）对简支体系桥梁通过调整支座厚度及桥墩截面的方式，使得桥墩的抗推刚度保持相对均匀；
（3）对于连续梁桥，在非固定墩支座的设计上，专门进行抗震设计，使得连续梁在地震作用下，桥墩受力均匀；
（4）大量的桥梁采用了隔震技术；
（5）将研发的纵向防落构造措施：
增加梁体支承长度；
新型纵向防落缓冲链应用于全线的桥梁设计中；
（6）将研发的新型实用的横向抗震弹塑性挡块应用于全线桥梁。
参考文献：
[1]中国交通运输部西部交通科技项目《汶川地震公路震害评估、机理分析及设防标准评价》项目组，《汶川地震公路工程震害调查报告》,2010.
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