广东省样本桥梁地震易损性对比研究

杜 鹏，姜 慧，王立新

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

广东省样本桥梁地震易损性对比研究

杜 鹏1，2，3，姜 慧1，2，3，王立新1，2，3

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

广东省桥梁数量多，经过长时间运营，抗震能力差别较大。为了初步了解广东省桥梁的抗震水平，本文运用经验统计三次判别预测方法，对所收集的广东省桥梁样本集做群体易损性分析研究，分别得出总体和按不同上部结构类型分类的数据、图形分析结果，并将该结果与四川汶川地震后现场桥梁调研情况和各代表性桥梁样本集地震易损性分析结果进行对比研究，进而得出相应的结论。

广东桥梁；地震；易损性分析；对比研究

0 引言

广东省位于中国东南沿海地区，河网交汇，入海口多，水系分布直接影响到桥梁的选址、建设规模和密集程度。然而，省内约60%的陆地面积位于地震基本烈度Ⅵ度区，25%位于地震基本烈度Ⅶ度区，担杆列岛、粤东潮汕地区、雷州半岛徐闻县南部地区位于地震基本烈度Ⅷ度区，近百年来，这些高烈度区域已发生过10次6级以上地震。

震害经验表明，地震作用下，不同桥型对不同方向惯性力的敏感程度不同，如简支梁桥，因其顺桥向刚度、搭接长度均小于横桥向，易造成顺桥向落梁。地震易导致岸坡滑移，对桥墩台造成压力，也会引起地基土质性质和稳定性的变化，产生液化等现象，导致桥梁垮塌等重大震害。总结发现，梁式桥的搭接与限位、拱桥的墩台刚度、吊杆锚固，斜拉桥和悬索桥的桥塔与锚碇都成为地震破坏集中体现的部位。

目前，广东省桥梁总体抗震水平如何呢？通过桥梁地震易损性分析和对比研究可初步得出在不同地震烈度下广东省样本桥梁的破坏及分布，据此可做进一步针对性研究。

桥梁地震易损性分析研究需考虑两个前提：首先是不同时期采用的抗震设计规范不同。2008年四川汶川特大地震之前，设计用 《公路工程抗震设计规范》 （JTJ004－89）未考虑地震效应组合以及抗震设计细节，致使上世纪八九十年代建设的桥梁普遍存在重强度设计而轻耐久性设计、桥梁设计安全储备偏低的问题。2008年实施的 《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）采用两水平设防和两阶段设计，引入能力保护原则，确保延性能力和位移能力，提高了桥梁的抗震能力。其次是桥梁损伤差异大，且病害程度与桥梁建设年代并无严格对应的关系，需分别考虑[1]。

1 桥梁样本情况

广东省桥梁地震易损性分析采用的资料，是在研究广东水系分布和各市交通图件的基础上，结合已有的部分大桥属性资料和图纸，通过现场调查进一步补充得到，桥位如图1所示。资料收集的范围主要集中在珠三角区域，其中广州市区、番禺区、佛山市、中山市、东莞市、珠海市等地桥梁样本较为集中，粤东、粤西、粤北较少。

调查桥梁种类较多，按结构类型分有简支梁桥、连续梁桥、拱桥 （上、中、下承式）、连续刚构桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥以及各种组合式桥，分析对象主要为跨江桥。通过收集这些桥梁属性资料 （包括基础图件、简单属性），以各地级市为单位，现场着重调研了各市区多种类型桥梁和重要桥梁，选出梁式桥、拱桥、刚架桥、悬臂梁桥等共202座做群体易损性分析，其中简支梁桥、板桥共计55座，连续梁、组合式梁桥及刚架桥共计68座，连续刚构、悬臂梁桥共计33座，刚架拱、桁架拱、刚拱、双曲拱、空间钢肋拱及其它拱式桥共计46座。

研究发现，使用正常、维护好、耐久性好的桥梁具有较好的抗震性能，而桥梁本身已出现裂缝、部分构件裂开、腐蚀严重，甚至混凝土保护层剥落露筋等现象时，其震害相应较重。通过对所收集桥梁的震害统计和易损性分析结果对比说明，已加固桥梁易损性指数明显降低，抗震性能增强，而建设年代久远、本身有病害的桥梁震害相对严重。

依据广东省工程场地分区图提供的不同区域的场地类别[2]，如图1～2所示，结合桥位图和现场评判，可得出桥梁所处的工程场地类别和地基失效程度。

2 经验模式预测方法

本次桥梁地震易损性分析采用三次判别的方法，因为经验统计法侧重于考虑桥梁整体的破坏水平估计，个性差异小，但是预测的对象往往不可能与统计时桥梁的背景资料完全一致，有时甚至差异较大，这将会在一定程度上影响预测精度。另外统计样本中缺少已经抗震设防和加固桥梁的样本及缺少施工质量、桩柱尺寸、埋置深度、墩台宽度等资料。因此在进行整个城市公路桥梁易损性分析时，将上述计算的预测震害指数作为一次判别，然后结合被预测对象的现场宏观调查及设计施工资料查阅，依据群体震害预测的方法推演和参考历次地震后桥梁震害实例，着重总结了四川汶川地震中桥梁的破坏现状和等级记录，进行二、三次判别，得出最终的易损性指数值。

一次判别：提取九个影响桥梁震害的主要因素[3、4]（地震烈度、场地土类别、地基失效程度、上部结构形式、支座形式、墩台高度、墩台材料、基础形式和桥梁长度），依据每个因素的具体情况选取响应参考值连乘，并赋加权系数值予以修正。九个震害因素的参考值如表1所示。预测基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏的取值分别为：A≤1.23、1.23＜A＜2.20、2.20＜A＜3.38、3.38＜A＜4.40、A≥4.40。

图1 桥梁样本位置示意图Fig1 Distribution of bridge samples

图2 广东省工程场地分区图Fig.2 Zoning Map of Project Sites in Guangdong Province

二次判别：建议对已加固桥梁减少震害指数0.5～1.0，对墩柱截面过小，基础埋深较浅增加0.25，对特别重要桥梁可保守地增加0.25处理，对于预测对象资料收集不齐而估算的可增加0.25～0.5，以上修正值仅供参考。

三次判别，通过建设年代划分，主要是源于设计规范的考虑。对于依据89规范建设桥梁，建议修正震害指数0.25～0.5。通过桥梁病害体征划分，对于结构体出现较多裂缝、混凝土保护层脱落导致露筋、严重腐蚀、主要承重构件变形等保守增加0.5～1.0。

表1 桥梁参数量化表Table 1 Bridge parameter quantization table

3 分析结果

经过对经验统计法的多次应用分析发现，该方法是对桥梁样本做统计意义上的震害预测，因此群体分析结果宜以桥梁在不同地震烈度下的破坏百分比为判别依据，而不过分关注每座桥梁的破坏状态。表2～6依次给出了总体和分类统计易损性分析结果。

通过以上数据结果可以看出，预测结果与实际统计的结果较为明显的区别是，理论结果具有规律的阶跃性，随机性差于现场震害统计结果，但震害趋势一致。通过二次，三次评估可一定程度消除其特有规律，一定程度上体现桥梁特性易损性分析结果。

将全体桥梁样本易损性分析结果录入ArcGIS属性数据表，图3为ArcMap界面中显示地震烈度Ⅶ～Ⅸ度破坏分布情况，运用不同的颜色标识出桥梁破坏等级，结合以上分析结果直观判断样本桥梁震害程度。

3.1 现场调研结果对比分析

3.1.1 陇南公路总段易损性分析[5]结果

陇南公路总段所辖桥梁工程主要分布在甘肃省文县和武都区境内，位于龙门山断裂带北东向延伸区域，各类型桥梁分布于G212、G316、S205、S206、S208等多条线路上。

陇南公路总段的桥梁位于5.12地震Ⅷ度、Ⅸ度区，震后科学考察工作着重调查了各类桥梁在本次地震中的震害现象，包括垮塌、落梁、移位、裂缝、支撑系统破坏等详细情况和资料，对获取的资料进行了分类整理，给出了桥梁震害描述，为易损性对比分析研究提供了丰富、可靠的基础资料。表7为154座桥梁 （钢筋混凝土梁桥19座、板桥52座、悬索桥1座、拱桥82座）的易损性分析与实际震害对比结果。

表2 桥梁总体群体易损性分析结果Table 2 Vulnerability analysis results of general bridge groups

表3 简支梁桥、板桥易损性分析结果Table 3 Vulnerability analysis results of simple-supported beam bridge and slab bridge

表4 连续梁、组合梁桥易损性分析结果Table 4 Vulnerability analysis results of continuous beam bridge and composite girder bridge

表5 连续刚构、悬臂梁桥易损性分析结果Table 5 Vulnerability analysis results of continuous steel structure bridge and cantilever bridge

表6 各类拱桥易损性分析结果Table 6 Vulnerability analysis results of all kinds of arch bridges

3.1.2 四川省重灾区干线公路桥梁震害统计结果[6]

文章统计了四川重灾区国 （省）干线公路1657座桥梁的震害资料，如表8所示，震害表明，双柱式墩、矩形墩以及连续梁桥震害程度分别高于独柱式墩、圆形墩和简支梁桥。整体性差、限位差的桥梁破坏较重。不同桥型抗震能力差别为：极重灾区连续梁普遍出现纵横向移位、桥墩倾斜等震害；简支梁桥多为梁体移位和落梁、挡块和支座的破坏；拱桥尤其单跨拱则表现良好，震害表现多为拱圈和拱上结构的破坏。

图3 桥梁样本在地震烈度Ⅶ～Ⅸ度时易损性分析结果Table 3 The vulnerability analysis results of bridge samples at seismic intensityⅦ～Ⅸ

表7 预测结果汇总与实际结果对比Table 7 Comparison of Earthquake damage prediction results with actual results

表8 四川重灾区干线公路桥梁震害比例Table 8 Highway bridge damage ratio in Sichuan disaster areas

3.2 各地区桥梁易损性分析结果对比

以下各市区桥梁样本与本次分析所采用的样本重合率低，基本可认为是不同的样本集。

3.2.1 广州市市区桥梁易损性分析结果

广州市区所统计分析的桥梁主要由29座立交桥和3座跨江桥组成。桥型以连续梁桥和连续刚构为主 （表9），样本数据引自各城市震害预测结果。

3.2.2 东莞市市区桥梁易损性分析结果

东莞市区统计分析的桥梁主要结构类型为简支梁、连续梁、拱桥和板桥几类 (表10）。

表9 广州桥梁震害预测结果Table 9 Earthquake damage prediction results of bridges in Guangzhou

表10 东莞市区桥梁易损性分析结果Table 10 Vulnerability analysis results of bridges in Dongguan urban area

3.2.3 中山市市区桥梁易损性分析结果

中山市区统计分析的桥梁主要结构类型为简支梁、悬臂梁、连续梁、拱桥、板桥几类（表11）。

表11 中山市区桥梁易损性分析结果Table 11 Vulnerability analysis results of bridges in Zhongshan urban area

3.2.4 泉州市桥梁易损性对比结果

泉州市桥梁样本共计182座，广泛分布于各国道、省道、县道及乡道。主要结构类型为梁桥、板桥、拱桥及组合式桥几类 （表12）。

表12 泉州群体公路桥梁震害预测结果Table 12 Earthquake damage prediction results of group road bridges in Quanzhou

3.3 各桥梁样本易损性分析结果综合对比

表13 各地区分析结果对比Table 13 Comparative analysis of all regions

图4 分析结果对比Fig.4 Comparative analysis of results

4 结论

（1）粤闽桥梁的易损性分析结果显示，地震烈度Ⅶ度时整体抗震水平较高，超过Ⅷ度时，发生中等破坏和严重破坏的概率约为30%和10%，与之对比分析的陇南公路总段桥梁位于四川汶川5.12地震Ⅷ度、Ⅸ度区，调查结果显示发生中等破坏和严重破坏的百分比分别为49%和15%，差别在于省内桥梁破坏等级构成较为均匀。这主要是因为广东省桥梁在设计中较多地考虑了抗震因素，因此抵御地震的能力相对较强，相对于不设防或设防水平较低的中小桥，其破坏程度较轻。因此判断两者分析结果具有较好的一致性，并进一步验证了该方法对于整体桥梁易损性研究的应用性和可行性。

通过分类计算结果显示，连续梁桥与连续刚构震害水平相当，并优于简支梁桥；拱桥抗震能力较好。该结果与四川重灾区干线公路震害调查结果不尽一致，这源于桥梁样本数量、高烈度影响和场地环境的差异。

（2）由以上计算结果图表可以看出，统计结果与桥型、建设规模及分布地区有着必然的联系。广州市区的桥梁样本以立交桥、高架桥为主，样本数偏少，结构型式多为梁式桥，分析桥墩在反复静载作用下的变形屈曲，结果显示，其破坏等级变化较为规律，随着地震烈度加大，整体桥梁样本基本呈现由弹性变形向屈曲变形的规律转变过程。东莞市、中山市和泉州市的桥梁样本是各类型大、中、小桥，结构型式多为梁桥、拱桥，基本不涉及特别复杂的结构型式，桥梁规模水平相当，在地震烈度为Ⅶ度和Ⅷ度时，相似性较好；在Ⅸ度时，中山市桥梁破坏程度偏重，其余两市较为相似。这种差异主要来源于桥梁样本的使用现状和结构型式。中山市市区很多中小桥梁修建于上世纪80年代至90年代末期间，运营时间长，设防水平偏低相应震害易损性指数值就会偏大。因此，震害结果可一定程度上反应出该桥梁样本的整体建设水平。

（3）不同的计算方法所得结果会有整体倾向性，在运用经验统计方法判别桥梁的整体抗震水平时，样本宜均匀覆盖多种结构类型，具备相当数量，记录使用现状和建设年代等。同理，在整合已有破坏桥梁资料时也应注意这些问题，以反过来校正加权系数值。

（4）根据桥梁样本的破坏分布和破坏等级查找易损原因，可针对性地进行结构抗震能力研究，以判别是否需要进行专门的健康检测、维修加固以及安装强震监测设施等，逐步提高桥梁的抗震能力。

[1]JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

[2]姜慧，黄剑涛，卢帮华，等，基于地震作用和场地影响确定广东省设计地震动参数 [J].震灾防御技术，2010，4(5)：403～404.

[3]朱美珍.公路桥梁震害预测的实用方法 [J].同济大学学报， 1994，22(3)：280-282.

[4]王东升，冯启民.桥梁震害预测方法 [J].自然灾害学报，2001，33(10):113-118.

[5]杜鹏，姜慧，王东明，等，陇南公路总段桥梁震害及易损性分析 [J].地震工程与工程振动，2010，4 (3)：103～108.

[6] 庄卫林，刘振宇，蒋劲松，等，汶川大地震公路桥梁震害分析及对策 [J].岩石力学与工程学报. 2009，7（28）：1377～1387.

A Comparative Study into the Seismic Vulnerability of Sample Bridges in Guangdong Province

DUPeng1，2，3，JIANGHui1，2，3，WANGLixin1，2，3

（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Key laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology,CEA，Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects，Guangzhou 510070，China)

There are many bridges in Guangdong province.Over a long period of operation,the seismic capacity has differed to a great extent.In order to understand the general capacity of the bridges in earthquake prevention,this paper has conducted an analysis study on the group vulnerability of sample bridges in Guangdong,using three-time differentiation prediction method of empirical statistical,which leads to overall and respective data and diagram analysis results as per different upper structure types.Major conclusions are draw upon the comparative study of the above-mentioned results with that of the site bridge studies after Sichuan Wenquan earthquake and earthquake vulnerability results from typical sample bridge sets.

Bridges in Guangdong;Earthquake;Vulnerability analysis;Comparative study

P315.726

A

1001-8662（2012）03-0011-10

2012-04-10

广东省科技厅项目“四川汶川特大地震发震与成灾机理探索及广东省的减灾对策研究” (项目编号：00144971120309058).

杜 鹏，女，1979年生，工程师，主要从事城市生命线系统地震易损性分析工作. E-mail：dupeng4589@126.com.