巴东M 5.1级地震桥梁典型震害分析

张 祎，李 恒，王秋良，冯 谦，李井冈，李 雪

(1.中国地震局地震研究所 地震大地测量重点实验室，湖北 武汉 430071；2.武汉地震工程研究院，湖北 武汉 430071)



巴东M 5.1级地震桥梁典型震害分析

张 祎1,2，李 恒1,2，王秋良1，冯 谦1,2，李井冈1，李 雪1

(1.中国地震局地震研究所 地震大地测量重点实验室，湖北 武汉 430071；2.武汉地震工程研究院，湖北 武汉 430071)

针对巴东M 5.1级地震受损桥梁，按不同的结构类型，对其震害进行了调查并分析了原因。调查结果表明：除极个别桥梁损毁外，巴东境内桥梁主体结构基本安全，局部修复后可继续使用。

桥梁工程；巴东地震；山区桥梁；震害；震害防御

0 引 言

2013年12月16日13时4分湖北省巴东县发生M 5.1级地震，宏观震中位于东瀼口镇宋家梁子村，极震区烈度为Ⅶ度。地震波及巴东、秭归、兴山等周边地区，地震灾害主要集中在巴东县的东瀼口镇、官渡口镇、信陵镇、溪丘湾乡以及秭归县的泄滩乡、沙镇溪镇[1]，本次地震是近40年来湖北省境内最为强烈的一次地震。巴东县地处湖北省西部，长江三峡中段，居恩施土家族苗族自治州的东北部。县境内武陵山余脉、巫山山脉、大巴山余脉盘距南北，长江、清江横贯东西。巴东县地形狭长，西高东低，南北起伏，地表崎岖，山峦起伏，峡谷幽深，沟壑纵横，是典型的喀斯特地貌。最高海拔3 005 m，最大相对高差2 938.2 m。地表平均坡度28.6°，其中25°以上的高山占总面积的66%，地形以山地为主。巴东县抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组[2],按规定该区的公路桥梁都必须进行抗震设计[3]。由于巴东地区经济欠发达，除重大工程和近年来正规设计、施工的桥梁能达到设防烈度外，境内多数桥梁未设防，且具有设计承载力过低、施工水平质量无保证，资金缺乏或监管不到位等原因造成年久失修等特点。

根据湖北省地震局震害损失评估调查结果，巴东M5.1级地震的烈度分布情况如图1。

图1 地震烈度及调查点分布Fig.1 Seismic intensity distribution of Badong M5.1 earthquake

此次地震造成巴东县境内巴东长江大桥、神龙溪大桥、黑沟大桥、松林湾等20余座既有桥梁受到不同程度的影响。根据湖北省地震局现场工作组对其中12座桥梁的抽样调查(表1)，作为本次地震宏观震中的东瀼口镇桥梁震害相对集中和明显。对受调查桥梁的结构类型，按拱桥、梁桥以及特殊桥梁3类进行震害机理探讨，为今后山区桥梁，特别是山区乡村桥梁的震害防御提供参考。

表1 桥梁震害调查

1 拱桥震害实例与分析

拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系，尤其是山区乡(镇)村公路。由于其耐久性好、养护维修费用少，构造简单，技术成熟等特点，拱桥充分做到就地取材，只要在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的[4]。在我国乡村公路桥梁中，圬工拱桥由于能充分发挥圬工材料(石料、混凝土、砖)抗压性好、抗拉性差的特点，得到了广泛的应用。本次地震中，拱桥约占受损桥梁的3/4，而巴东县境内的拱桥占各类桥梁总数的90%以上。

1.1 蹬子石桥

蹬子石桥位于巴东县东壤口镇，为实腹石拱桥(图2)，该类桥刚度大、变形能力差。拱的纵向稳定性远远小于横向稳定性，结构在受到地震惯性荷载和台背的动土压力的共同作用下，拱脚最易出现剪切位移和弯曲开裂。地震导致蹬子石桥拱脚及台背发生破坏并垮塌，拱圈已严重破坏，无法继续使用。

图2 蹬子石桥部分垮塌Fig.2 Partial collapse of Dengzishi bridge

1.2 宋家梁子一桥

宋家梁子一桥位于巴东县东壤口镇宋家梁子村(图3)，结构形式为空腹式圬工拱桥，直接坐落在刚性地基上。该桥震害表现为近1/4跨径处的腹拱拱脚发生破坏。推断其破坏机理为地震作用下拱平面内的基本振型呈现反对称的两个波动形式，在拱脚和拱1/4跨产生很大的弯矩，而圬工材料的抗拉性差，受拉条件下极易发生破坏，是结构最薄弱的环节之一。

图3 宋家梁子一桥腹拱受损Fig.3 Spandrel arch damage of Songjialiangzi bridge

1.3 雷家坪一桥

雷家坪一桥(图4)位于巴东县东壤口镇雷家坪村，为圬工拱桥，平面线形为曲线。震害主要发生在桥台翼墙部位，由于台背的动土压力导致桥台翼墙的砌体间产生拉应力，由于砂浆抗拉强度低，导致沿砌缝拉裂并向上贯穿至人行道板。

曲线形式的圬工拱桥受地形、建设成本的限制在山区乡村普遍存在。地震作用下受力状态极其复杂，定量抗震计算难以实现，因此震害经验显得尤为宝贵。

图4 雷家坪一桥Fig.4 Leijiaping bridge

1.4 黑沟大桥

黑沟大桥(图5)位于巴东县官渡口镇的西壤口村，是官渡口至西壤口公路上跨越黑沟的一座刚架拱桥，黑沟大桥长75 m，上部结构为净跨60 m的钢架拱桥，矢跨比1:8，桥面宽9 m。此次地震震害主要表现在两个方面：①桥面板与桥台刚度差异大、间距过小，地震时产生顺桥向冲击造成桥面板向桥台挤压发生破坏；②伸缩缝位置人行道栏杆却未断开，伸缩缝变形时栏杆不能协调变形导致其底部出现拉剪破坏。

图5 黑沟大桥Fig.5 Heigou bridge

需要指出的是，刚架拱桥是强震区应避免采用的型式[5]。该类型的拱桥虽具有结构轻巧、施工简便、经济美观等优点，但拱肋和斜撑尺寸较小，刚度不足，抗震能力较差，应尽可能采用整体性好、断面大的板拱和箱拱。

2 梁桥震害实例与分析

梁桥是指结构在垂直荷载下支座只产生垂直反力而无推力的梁式体系桥的总称[6]。钢筋混凝土梁桥是钢筋混凝土结构的一种结构类型，它具有钢筋混凝土结构的所有特点：成本低、耐久性好、维修费用少、材料可塑性强、整体性好、结构刚度大等特点，主要作为中、小跨径桥梁使用。巴东县境内的梁桥约占桥梁总数的5%。

2.1 神龙溪大桥

神龙溪大桥(图6)位于巴东县官渡口镇，跨径70 m+130 m+70 m，为预应力连续刚构桥，最大墩高96 m，于2001年建成通车。地震使伸缩缝两侧桥面铺装层出现压裂缝；栏杆整体出现位错，小部份栏杆扶手裂缝贯通、露筋，局部横档掉落。桥墩、桥台主体结果基本完好，未发现新裂缝产生。

图6 神龙溪大桥Fig.6 Railing damage of Shenlongxi bridge

伸缩缝两侧的桥面铺装不仅受桥梁振动影响，对温度也较敏感，桥面板与铺装层之间的变形本身就难以协调，再加材料的疲劳损伤以及超载损伤，该位置极易产生裂缝，地震通常只是该部位裂缝产生的诱因。此裂缝虽对桥梁使用性能造成影响，但基本不对结构安全性造成威胁。

栏杆的破坏主要因扶手、横档、底座三者变形差异引起的。从现场调查情况来看，栏杆设计上欠合理，主要体现在：①扶手断开位置底座却连续；②底座断开位置扶手却连续；③横档钢筋锚固长度不足。

2.2 松林湾桥

松林湾桥(图7)位于巴东县东壤口镇旧县坪村，为板梁桥，边跨肋板与桥台整体浇注，地震使边跨肋板与桥台交接处出现裂缝，该裂缝造成混凝土保护层的破坏，但并未向深部发展。从其裂纹形态和尺寸来看，可能是由一种或多种原因共同造成，包括肋板与桥台整体浇筑形成的截面突变，地震作用下引起应力集中；混凝土等级低、施工方法不当、养护不到位等原因。除此之外，松林湾桥边跨梁与引桥梁之间高度不同且间距明显不足。若发生更大震级地震时两梁间发生顺桥向冲击，极易造成桥梁破坏，这种设计不利于抗震[7]。

图7 松林湾桥Fig.7 Songlinwan bridge

3 特殊桥梁震害实例与分析

巴东长江大桥主桥为双塔斜拉桥。斜拉桥属组合体系桥梁，为多次超静定结构，梁体尺寸较小，桥梁的跨越能力大，桥下净空和桥面标高的限制小，抗风稳定性较好，常作为大跨径桥梁方案。

该桥位于巴东县新城区，北岸临近神农溪入口，2004年7月2日建成通车。主桥为双塔双索面预应力混凝土梁斜拉桥，桥型布置为工型组合梁4×40 m+斜拉桥170 m+388 m+170 m，全桥长908 m。斜拉桥的混凝土主梁全宽22 m，边跨肋高2.5 m，主跨肋高2.72 m，顶板厚32 cm。采用A型索塔，北塔高218 m，南塔高213 m，高强平行钢丝斜拉索。

此次地震造成巴东长江大桥出现以下病害(图8)：北岸引桥1号墩帽位置出现约10条竖向裂缝，最长约94 cm，东侧裂缝宽度大于西侧，东侧一般0.1～0.25 mm，西侧一般0.02～0.05 mm。上述裂缝的成因主要为地震在墩帽处所引起的惯性力与重力方向相一致时，对墩帽产生剪切作用。东侧裂缝宽度大于西侧的原因尚待深入研究，与震中的距离远近可能是原因之一。地震造成的横向位移还使得T梁与挡块碰撞产生局部挤压破坏。

图8 巴东长江大桥主要病害Fig.8 Damages of Badong Changjiang bridge

调查中还发现1号墩支座有老化开裂的现象。桥梁支座既承担着上部结构与墩、柱连接并传递受力和变形的重要作用，又是桥梁抗震的薄弱环节。以往的桥梁震害实例中，支座的破坏比较普遍，相邻梁间的碰撞或梁的纵、横向位移，大多数都是以支座破坏为前导[8]。破坏性地震发生时，支座承受极大的剪力和变形，导致上部结构脱离支座，发生严重震害，所以支座必须定期检查、及时更换。

4 结 论

1)总体来说，巴东县境内除极个别桥梁因年久失修损毁严重外，其余桥梁基本经受住了此次地震的考验，经简单修护和加固后可继续使用。

2)乡村桥梁绝大多数未经抗震设计，而乡村桥梁又被规范定义为重要性程度不高的桥梁，所以自然不受重视。这些乡村桥梁往往又是抗震救灾生命线工程的重要“节点”，具有不可替代性，一旦损毁导致道路阻断，救灾人员、机械及物资无法及时进入到灾区，其造成的损失有时不可估量。桥梁的重要程度分类不应只以道路等级或跨径来区分，还应充分考虑其在生命线中的地位，在考虑经济性的同时，还须具备一定的抗震能力。

3)除了此次地震山区桥梁表现出的上部结构震害现象外，山区桥梁多坐落于岸坡(有时甚至直接坐落于滑坡体上，即所谓的抗震危险地段)。地震可能引发大规模的滑坡、崩塌，对桥台和基础产生很大的动土压力，再加上山区地形特征对局部地面运动有很大影响，地形引起的地震动放大效应又加重山区桥梁的震害。地震中由此引起地基失效带来的桥梁垮塌也应引起足够重视。

4)因桥梁损毁导致救灾工作重大损失的教训在历次破坏性大震中不断上演，在重视新建桥梁抗震设计的同时，更要充分认识现有桥梁新旧并存，抗震能力差异巨大这一客观事实。重视地震有识别结构薄弱点的习性，在这些位置会发生集中破坏。针对山区桥梁特点，分类进行深入的震害机理研究、系统研究抗震性能的评估方法和配套的加固补强措施，使得未经抗震设计或抗震设防水平偏低的乡村桥梁至少能达到当地的抗震设防标准，相应规范的形成与实施迫在眉睫。

[1] 湖北省地震局. 2013年12月16日湖北省巴东县M5.1级地震灾害直接损失评估报告[R]. 武汉：湖北省地震局，2013：10-18. Hubei Earthquake Administration.Disaster Damage Assessment Report of Badong M5.1 Earthquake on Dec.16, 2013[R]. Wuhan: Earthquake Administration of Hubei Province,2013.

[2] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010. GB 50011—2010 Code for Seismic Design of Buildings[S]. Beijing：China Architecture & Building Press,2010.

[3] JTG/T B 02-01—2008 公路桥梁抗震设计细则[S]. 北京：人民交通出版社,2008. JTG/T B 02-01—2008 Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges[S]. Beijing: China Communications Press,2008.

[4] 顾安邦. 桥梁工程:下册[M]. 北京：人民交通出版社,2000:1-6. Gu Anbang. Bridge Engineering:Vol.2[M]. Beijing: China Communications Press,2000:1-6.

[5] 赵国辉，刘健新. 汶川地震桥梁震害分析及抗震设计启示[J]. 震害防御技术,2008,3(4):363-368. Zhao Guohui, Liu Jianxin. Bridge damage analysis and enlightenment in seismic design of Wenchuan earthquake[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention,2008,3(4):363-368.

[6] 范立础. 桥梁工程:上册[M]. 北京：人民交通出版社,2001:63-72. Fan Lichu. Bridge Engineering:Vol.1[M]. Beijing: China Communications Press,2001:63-72.

[7] 蒙云，卢波. 桥梁加固与改造[M]. 北京：人民交通出版社,2004:188-191. Meng Yun, Lu Bo. Bridge Strengthening and Rehabilitation[M]. Beijing: China Communications Press,2004:188-191.

[8] 张祎，冯谦，黄滔，从汶川地震典型桥梁震害谈桥梁抗震对策[J].建筑结构,2010,40(1):153-158. Zhang Yi, Feng Qian, Huang Tao. Talking about seismic countermeasure from bridge damage in Wenchuan earthquake[J]. Journal of Biomathematics,2010,40(1):153-158.

Typical Damage Analysis of Bridges During Badong M5.1 Earthquake

Zhang Yi1,2, Li Heng1,2, Wang Qiuliang1, Feng Qian1,2, Li Jinggang1, Li Xue1

(1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, Wuhan 430071, Hubei, China; 2. Wuhan Institute of Earthquake Engineering, Wuhan 430071, Hubei, China)

The seismic damage of different types of bridges was investigated and roughly analyzed during Badong M5.1 earthquake. The survey results show except a very few bridges were destroyed, the main structures of the bridges had basic security in Badong area, and they could continue to be used after local repairs.

bridge engineering;Badong earthquake; mountain bridge; seismic damage; seismic disaster prevention

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.05

2014-04-02；

2014-06-22

中国地震局地震研究所所长基金资助项目(IS200956051)

张 祎(1984—)，男，四川自贡人，工程师，硕士，主要从事地震灾害防御和土动力学方面的研究。E-mail:zhangyi@eqhb.gov.cn。

U442.5

A

1674-0696(2015)02-020-04