王再荣，郭恩栋，赵钊，孟于飞

(中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080)

国内外很多从事桥梁抗震的工作者对桥梁震害模式及破坏机理进行了总结，并且每次大地震发生之后桥梁震害资料都会更加丰富，为深入研究桥梁结构震害机理及抗震措施等奠定了基础。如2008年5月12日四川汶川发生的8级大地震，极震区烈度高达Ⅺ度，地震造成24条高速公路、161条国省干线、8 618条乡村公路、6 140座桥梁、156条隧道受损，这次地震同样为桥梁抗震研究留下了宝贵的震害资料。

本文对国内外几次大地震中的梁式桥震害现象进行了研究，结合汶川8.0级大地震中梁式桥的震害，从震害特点和影响因素两方面进行了总结分析。

1 梁式桥震害特点

本文收集了海城7.3级地震(1975年)、唐山7.8级大地震(1976年)、洛马·普里埃塔7.1级地震(1989年)、美国北岭6.6级地震(Northridge Earthquake)(1994年)、云南丽江7.0级地震(1996年)、土耳其伊兹米特7.8级地震(1999年)、我国台湾集集7.3级大地震(1999年)、汶川8.0级大地震(2008年)等地震中的梁式桥震害资料，共包含112座梁式桥梁的震害［1－7］，并进行了分类统计(表1)。由表1可知，梁式桥梁可能出现的8类震害，在震害调查中均有发现，出现前4类震害的桥梁占多数，显然，这4类震害是最为常见的震害。

表1 梁式桥震害分类

1.1 支座破坏

在调查的112座桥梁中有53座桥梁约占65.2%发生了支座破坏，综合国内外几次大地震的调查结果，在中、美、日等国的多个地震中，支座的破坏现象均较为普遍。

支座的震害表现为支座倾斜、剪断、锚固螺栓拔出、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等。支座破坏的同时也伴随着支座下垫石板破碎［8］。

落梁震害与支承破坏密切相关，因振动导致的落梁多因支承破坏所致。当支座破坏后，墩－梁间的位移失去控制，当墩梁间的相对位移大于主梁搁置长度后，主梁将从桥墩脱落从而导致落梁。统计的53座支座破坏桥梁中，有26座落梁。另外统计的53座支座破坏桥梁中，有29座桥梁的桥墩没有破坏，说明对于下部结构而言，支座破坏可以避免上部结构的地震荷载传到桥墩，从而起到保护桥墩的作用。

1.2 墩台损坏

桥墩是桥梁结构中最重要的承重构件，在地震中，桥墩一旦破坏将会导致桥梁不能再使用甚至落梁或整体倒塌，本文调查的26座落梁的桥梁中有16座墩台破坏，表明墩台破坏是落梁的主要原因。由表1可知，调查的112座桥梁震害中就有51座桥墩破坏和48座桥台破坏，分别占总体的46.4%和42.9%，表明在地震中墩台破坏现象比较普遍。

墩台的震害形式有发生严重倾斜移位、墩台沉降、墩身破坏。较高的柔性墩柱大多是弯曲破坏，在地震中，此类破坏不是太多，主要发生在墩柱顶部和底部。汶川地震中百花大桥桥墩抗弯能力不足而导致墩底保护混凝土的剥落损坏(图1)。较矮的墩中较为普遍出现剪切或弯剪破坏，桥墩的抗剪强度不足，是出现这类震害的根本原因。在地震中此类破坏较多，可能发生在帽梁与墩柱连接处、墩柱中部或墩柱与承台的连接处。汶川地震中回澜立交桥匝道桥墩破坏方向沿切向较为明显，遭受严重破坏的桥墩大多为短柱，发生剪切破坏(图2，图3)［10］。

图1 汶川地震中绵竹市回澜立交桥曲率最大处桥墩破坏

图2 汶川地震中回澜立交桥C匝道桥2号墩弯剪破坏

图3 我国台湾集集大地震中乌溪桥的桥墩被剪断

在城市高架桥中常使用框架墩，框架墩的震害也经常见到。震害主要表现为:盖梁的破坏，墩柱的破坏以及节点的破坏。盖梁的破坏形式:当地震力和重力叠加时，剪切强度不足引起的剪切破坏;盖梁负弯矩钢筋的过早截断引起的弯曲破坏;以及盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏。节点的破坏主要是剪切破坏(图4)。

图4 汶川地震百花大桥桥墩与系梁节点剪切破坏

1.3 梁体移位

上部结构的移位震害比较常见，纵向移位、横向移位以及扭转移位，在伸缩缝处比较容易发生移位震害。地震发生时，桥梁的梁体移位是避免不了的，如果不是太大的移位，震后通过换掉破坏的支座，把梁体恢复原位，桥梁还可以继续使用。但是过大的移位会导致落梁，这是不允许的，所以必须采取抗震措施减小梁体位移。汶川地震有些桥梁上部结构虽然没有落梁，但发生了比较大的移位，导致无法通行。

台湾集集大地震中东丰(Tong－feng)桥产生了10～20 cm的大的竖向位移并且在横向偏离30～50 cm。PCI梁因大的横向移动脱离支座。汶川地震中百花大桥主梁均发生横、纵向移位及碰撞(图5)。

1.4 地基与基础破坏

图5 汶川地震中百花大桥梁体横向移位

有实际震害资料证明，大多数发生落梁等灾难性破坏的桥梁都出现地基基础破坏现象，地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的重要原因。在本文调查的桥梁震害中有20座严重破坏或毁坏的桥梁发生了地基基础震害，26座落梁破坏的桥梁中有11座发生了地基基础破坏。基础的破坏与地基的破坏紧密相关，几乎所有地基的破坏都会引起基础的破坏，主要表现为移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。

基础破坏的原因有:扩大基础的震害一般由砂土液化或地基失效的不均匀沉降和由土承载力和稳定性不够，地面产生大变形，导致地层发生水平滑移、下沉、断裂而引起的;常用桩基础除了上面的原因外，还有上部结构传下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲破坏，更有桩基础设计不当所引起的震害。1989年洛马·普里埃塔地震中Struve Slough桥的桩柱穿透桥面(图6)。汶川地震中龙尾大桥第7跨桥墩倾斜接近倒塌(近端第2跨桥墩墩底可见喷砂液化现象)(图7)。

图6 洛马·普里埃塔地震中Struve－Slough桥的桩柱穿透桥面

图7 汶川地震中龙尾大桥桥墩倾斜

1.5 其他破坏

在地震中，除了上面提到的主要部位的震害外，还有一些非结构部位，包括构件间的节点破坏、伸缩缝的破坏、扶手护栏破坏、挡块损坏以及引桥的破坏等，这些部位虽然不能引起桥梁垮塌瘫痪，但是它们的破坏也会大大加重桥梁的震害，因此在桥梁抗震设计和桥梁施工中应给予重视和恰当的处理。

在近20年内发生的大地震中，发现很多城市高架桥和立交桥破坏是由于碰撞反应引起的。碰撞还可以发生在多层立交桥高度不同的相邻结构之间，即标高较低的上部结构与相邻较高结构的桥墩发生碰撞。图8和图9分别为汶川大地震中桥面伸缩缝和挡块的破坏。

图8 汶川地震中绵远河大桥桥头桥面处伸缩缝受损

图9 汶川地震中庙子坪大桥挡块破坏和缓冲垫脱落

2 梁式桥震害影响因素

2.1 地震烈度的影响

对112座梁式桥梁的震害资料依据烈度的不同进行了分析(表2)。表2中数值表示:某烈度区某一震害类型的桥梁破坏座数/某烈度区桥梁总数。

表2 不同烈度的桥梁震害对比分析

从表2的分析结果来看，就某一烈度区的桥梁震害形式仍然以支座破坏、墩台损坏、梁体移位和地基及基础破坏为主，在高烈度区，落梁破坏也比较严重。就某一种震害类型分析，随着烈度的增高，桥梁的破坏程度增大，尤其是落梁破坏表现比较明显。在X以上的高烈度区，各种震害类型的桥梁破坏都很严重。

2.2 建设年代的影响

对1976年7.8级唐山大地震中的40座桥梁震害与2008年的8.0级汶川大地震中的33座桥梁震害做了比较(表3)。虽然汶川地震的震级比唐山大地震的震级大，但是从表3来看，唐山大地震中的各类震害都比汶川大地震严重。由此可见，有无抗震设计对桥梁的破坏至关重要。桥梁抗震设计也是最近几十年才提出来的，在桥梁抗震设计未提出之前建造的桥梁抗震性比较差，所以震害比较严重，随着桥梁抗震理论的发展，桥梁的抗震性能也越来越好，相比早些年代建造的桥梁在强震作用下，震害较轻［9］。

表3 唐山大地震和汶川大地震桥梁震害对比分析震害类型

以支座破坏为例说明建造年代对桥梁震害的影响，在1960年代以前，几乎全部桥梁都是钢支座、混凝土摆式支座、简易的沥青油毡支座;其中钢支座占绝大多数。1964年板式橡胶支座诞生以来，1970年代相继研制成了四氟板式橡胶支座、盆式橡胶支座，到目前我国几乎100%的支座都是使用板式橡胶支座、盆式橡胶支座和球型橡胶支座。结合支座的发展史来分析，不难理解震害变轻的原因，这表明采用橡胶支座比之前的钢支座、混凝土摆式支座、简易的沥青油毡支座更为适宜(近年来的理论研究也表明橡胶支座比钢支座、混凝土摆式支座、简易的沥青油毡支座抗震性能好)。因此，在地震区桥梁能使用隔震减震橡胶支座为最好。

2.3 结构体系的影响

(1)简支梁桥和连续梁桥对比分析

桥梁震害统计数字表明，纵向落梁占落梁震害的绝大多数，约占97%，而横向落梁和扭转滑移落梁则很少见。简支梁桥的梁体与桥墩的连接方式一般是一端是固定支座，一端为滑动支座，在地震作用下，两端桥墩不同的纵向位移容易导致纵向落梁。而连续梁桥由于在纵向的整体连续性比较好，不会发生纵向落梁现象，但是连续梁桥会因为桥墩破坏而发生整体横向倒塌。1995年日本阪神7.2级地震中神户高速3号线皮尔茨桥梁由于独柱式悬臂桥墩的破坏引起整体在横向倒塌破坏和2008年汶川地震中百花大桥第5联的整体垮塌就是两个连续梁破坏例子。

连续梁桥与简支梁桥相比更容易发生桥墩倾斜震害，连续梁桥由于固定支座的设置，使得桥墩在地震作用下承受的地震荷载差异大，从而桥墩破坏的严重程度差异也大，连续梁的扭转作用也给设置固定支座的桥墩带来了很大的破坏。连续梁桥和简支梁桥的桥墩形式不同是主要原因，简支梁的桥墩一般都是带盖梁的双柱门式桥墩，横向刚度较大，不容易发生横向倾斜。连续梁桥大多数采用单柱式或双柱式(无盖梁)，横向整体刚度较小。汶川地震桥梁震害调查表明，双柱式桥墩比独柱式桥墩的抗震性能好。

(2)斜桥和曲线梁桥

城市立交桥和高架桥为了适应地形，使用了很多曲线梁桥，有时也会使用斜交桥，所以在此特别讨论这两种桥型。

在地震中，斜交桥上部桥跨在地震作用下会比正交桥发生更大的位移，而且存在在减小倾斜程度方向的转动趋势，在没有足够的支座支承宽度的情况下，斜交桥跨在锐角处容易因失去支承而脱落。斜交桥和它的桥台(或其相邻桥跨)之间的碰撞，能引起桥梁绕一个竖向轴转动形成扭转位移。

曲线桥梁本身动力特性较为复杂，受双向地震力作用明显，上部结构的重心偏离桥墩，附加弯矩作用明显，特别是在竖向地震和双向水平地震联合作用下，曲线桥梁的反应不对称，容易出现翻转和外侧移变形。汶川地震中百花大桥曲线段部分整体倒塌情况(图10)，说明该段桥梁弯一扭地震反应效应比较显著，这可能是导致震害的主要原因。汶川地震中绵竹市回澜立交架匝道桥桥墩破坏严重［10］。

图10 汶川地震中百花大桥曲线桥段塌落

2.4 地震次生地质灾害的影响

汶川地震极重灾区桥梁震害有一个重要特点就是次生地质灾害对桥梁的破坏很大，这也是汶川地震桥梁震害有别于其他几次大地震中桥梁震害的一个突出特点。次生地质灾害对桥梁破坏是毁灭性的，成都－汶川高速公路上的几座桥梁，如K26+773顺河大桥、彻底关大桥、映秀岷江大桥等，受山体崩塌而砸塌。

3 结语

通过对梁式桥震害的总结研究，得到以下几点认识。

(1)在地震中，梁式桥支座破坏、墩台破坏、地基(基础)破坏及梁体移位是最为常见的震害，这4类震害极易导致落梁甚至全桥倒塌的惨剧，因此应在抗震设计中重点防范。

(2)随着烈度的增高，桥梁的破坏程度增大，尤其在X以上的高烈度区，各种震害类型的桥梁破坏都很严重。

(3)桥梁的建造年代对桥梁的震害有很大的影响，随着桥梁抗震理论的发展，桥梁的抗震性能也越来越好，近20年设计建造的桥梁相比早些年代建造的在强震作用下，震害较轻，再一次说明进行桥梁抗震设计、施工的必要性。

(4)梁式桥有简支梁桥和连续梁桥之分，不同的桥梁结构体系，桥梁震害特点有明显差异。

(5)特定环境导致的次生地质灾害对桥梁破坏影响很大，这点在汶川大地震中表现尤为突出，应该给予关注。

［1］中国赴日地震考查团.日本阪神大地震考察［M］.北京:地震出版社，1995.

［2］刘恢先.唐山大地震震害［M］.北京:地震出版社，1986.

［3］张敏政.土耳其伊兹米特地震震害考察［J］.工程抗震，2000(4):34－38

［4］EERC.Loma Prieta Earthquake Reconnaissance Report［J］.Earthquake Spectra，1990，6:101－107.

［5］NZNSEE.The Loma Prieta，California，Earthquake of October 17，1989，Report of the NZNSEE Reconnaissance Team［J］.Bulletin of New Zealand NationSociety for Earthquake Engneering，1990，23:569－575.

［6］EERC.Northridge Earthquake Reconnaissance Report［J］.Earthquake Spectra，1996，11:400－407.

［7］NZNSEE.Northridge Earthquake Reconnaissance Report，Report of the NZNSEE Reconnaissance Team on the 17 January 1994 Northridge，Los Angeles Earthquake［J］.Bulletin of New Zealand Nation Society forEarthquake Engneering，1994，27(4):601－608.

［8］庄卫林，余翔，易志宏，等.简支体系桥梁的震害及抗震设计对策［J］.桥梁建设，2008(4):61－64.

［9］陈惠发，段炼.桥梁工程抗震设计［M］.蔡中民，武军，译.北京:机械工业出版社，2008.

［10］孙治国，王东升，郭迅，等.汶川大地震绵竹市回澜立交桥震害调查［J］.地震工程与工程振动，2009，29(4):147－154.