张昊宇，黄 勇，汪云龙

（1.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；2.地震灾害防治应急管理部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

引言

2022 年1 月8 日，青海省北州门源县（37.77°N，101.26°E）发生6.9 级地震，震源深度10 km［1］。此次地震中，穿越冷龙岭断裂的兰新高铁大梁隧道和硫磺沟大桥桥面受损停运，是本次地震最典型的工程震害之一。震后笔者参加了工程震害的科学考察，着重对这座大桥进行了调查。借助无人机航拍及倾斜摄影建模技术［2-4］，构建了这座铁路桥的三维震害模型，并基于该模型对铁路桥的主梁轴向、侧向位移和转角，以及桥墩距离进行了测量估计，对得到的震害位移进行了简要分析。一方面完整记录震害现象，为铁路桥的震害经验总结、地震模拟分析提供参考；同时也对无人机倾斜摄影技术在桥梁震害调查中的应用进行探索。

1 硫磺沟铁路桥及其震害概况

硫磺沟大桥处于兰新高铁大梁隧道与祁连山隧道之间，为8跨简支梁高速铁路桥梁，单跨跨度约为32 m，桥梁宽度为12 m 左右［5］。应急管理部、中国地震局2022 年1 月11 日发布的烈度图［6］显示，此次地震宏观震中烈度为Ⅹ度，该桥即位于宏观震中区，距离地表破裂带约200 m左右（如图1（a）、（c））。震后铁路桥面梁严重移位、倾斜，轨道严重扭曲、局部错断（图1（b）、（d）），造成铁路停运。

图1 硫磺沟铁路桥总体震害Fig.1 Aerial view of Liuhuanggou railway bridge

2 航拍及倾斜摄影建模

2.1 航拍概况

使用大疆Mavic2 pro进行航拍。由于桥梁侧面及墩柱为建模重点，故航拍采用正摄航线规划，其他方向手动控制的拍照方法：除了正摄和4 个斜45°方向外，还进行了近距离平视和仰视侧面拍照（图2）。采集到的有效照片数量共计1 424张。

图2 硫磺沟铁路桥航拍分布Fig.2 Aerial photo position

2.2 倾斜摄影建模

使用大疆智图（DJI Terra）［7］建模：选取三维模型功能，根据软件提示，将照片导入后点击“开始重建”按钮，即可为自动完成建模。之后将模型转换为扩展名为osgb的通用格式，可用多个模型浏览器打开。图3为在Context Capture Viewer浏览器中打开的铁路桥模型。

图3 硫磺沟铁路桥震害模型Fig.3 3-D damage model of Liuhuanggou railway bridge

受限于设备及场地条件，模型还存在以下不足：（1）缺乏相控点，模型的定位和尺寸精度缺少参考［8］；（2）拍摄角度所限，部分桥梁底面和桥墩的细部较为粗糙（图4）。对此，通过核对桥梁主要尺寸对模型精度进行评估，同时桥梁细节的模糊对整体震害位移的评估影响不大。

图4 模型不足Fig.4 Deficiencies of the models

3 桥梁典型尺寸和震害位移量测及初步分析

借助3D 模型浏览器Context Capture Viewer，可量测铁路桥的主梁宽度、桥墩间距、纵横桥向位移等信息。为便于观察，将铁路桥主梁及桥墩按图5，由南至北进行排序。

图5 铁路桥主梁及桥墩序号Fig.5 Numbers of the piers and girders

3.1 主梁宽度及跨度

如图6（a）），对每个主梁，在两侧（南、北）分别测量主梁宽度，以二者均值作为该梁宽度估计值，结果如图6（b））所示。主梁跨度的量测如图7所示。对每一跨主梁，分别在东西两边量取跨度值，以二者均值作为主梁跨度估计值，结果如图7（b））。将伸缩缝宽度考虑进来后，可见其基本符合前述大桥基本信息——跨度32 m左右，桥宽12 m左右。

图6 主梁宽度Fig.6 Girders width

图7 主梁跨度Fig.7 Girders span measurement

3.2 桥墩间距及倾斜估计

如图8（a），对7个桥墩墩底的纵向水平间距进行量测。每个桥墩分别量测南面和北面的间距，以均值作为桥墩间距的估计值，结果如图8（b）所示。采用相同方法测量了桥墩墩顶间距（图9（a）。由于桥墩顶部为曲面，为减少误差，对南北侧面，分别量测了东西向的距离，将得到的四个数值取平均，作为墩顶间距估计值，如图9（b）所示。

用图9（b）墩顶距减去图8（b）的墩底距，即得到图10 所示的间距差曲线。可见，其基本稳定在+0.05 m附近。导致该差值的原因为桥墩高差所致：如图11所示，7个桥墩的高差共计3.6 m，由南至北逐渐降低，而图8墩底间距测量时选取了接近水平的距离，这使得墩顶墩底间距出现了固定差值。与此同时，考虑到若桥墩在纵向（南北向）上出现明显倾斜，将导致图10 所示的间距差曲线随桥跨出现异号波动现象。因此图10较为稳定的间距差也表明桥墩在纵向上未出现明显倾斜变形。

图8 墩底间距Fig.8 Pier bottom span measurement

图9 墩顶间距Fig.9 Pier top span measurement

图10 墩顶-墩底距离差值Fig.10 Span differences between top and bottom of the piers

图11 桥墩高差Fig.11 Pier height difference

桥梁尺寸量测数据见表1。

表1 硫磺沟铁路桥典型尺寸测量值Talbe 1 Size measurement of the Liuhuanggou railway bridge

3.3 主梁纵向位移估计

如图12，测量桥墩垫块的宽度、主梁伸缩缝中线距垫块南侧的距离，之后按公式（1）估计每个桥墩两端主梁的平均纵向位移。对每个桥墩东、西两侧的位移结果取均值，由此作为该桥墩处主梁纵向位移（南北向，北向为正）的估计值。由此得到的位移曲线如图12（d）所示。

图12（d）显示，主梁纵向位移呈现南侧向北，北侧向南逐渐变化的趋势。估计其与铁路桥所处的近场地震作用相关。由图1（a）可知，地表破裂带位于铁路桥南侧不远。地震发生时，铁路桥很可能在纵向受到了垂直于破裂带，北向的脉冲地震作用［9，10］。南侧的主梁由于南端桥台的约束，在脉冲作用下可能出现北向位移；而随着伸缩缝的累积和横向位移的影响，北侧主梁在纵向上逐渐有了更大的位移自由度，因此在脉冲作用下，因惯性作用出现了南向位移。在2020年玛多地震中，靠近地表破裂带的野马滩2号公路桥，纵向侧移同样呈现了类似规律：随着逐渐远离破裂带，主梁纵向位移逐步累积加大［11，12］。

图12 主梁纵向位移估计Fig.12 Longitudinal displacement measurement of the girders

3.4 主梁横向位移估计

如图13（a），近似采用目测方法量测桥墩中点至主梁梁底中点的距离，作为主梁侧移估计值。该方法虽较为粗略，但用于大桥的震害趋势判断和概念分析精度尚可。对于毗邻桥台的主梁，如图13（b），采用端部位错估计该点侧移。以向西为正，分别量取每跨主梁两端的侧移值，可得到图13（c）所示的侧移曲线。图13（d）给出了震损铁路桥的正投影像。可见其与侧移曲线分布基本吻合。

图1（a）的黄色箭头给出了本次地震的破裂方向示意：左旋走滑。按照简单的破裂方向判断，横向的地震作用惯性力最有可能形成的主梁侧移应为东向。而图13 结果显示，南侧的多数主梁横向侧移为西向，只有北侧少数主梁为东向侧移。造成该结果的原因为何？

图14 分别展示了②、④和⑥号桥墩处主梁挡块的破坏情况。震害调查显示，所有横向残余侧移为西向的主梁，两侧挡块均破坏掉落；而残余侧移为东向的主梁，均表现为东侧挡块掉落或破坏，西侧挡块完好。由此可知，在平行于破裂带的方向上（东西向），铁路桥承受了剧烈的往复地震作用，同时若与地震动的行波效应［13-14］综合作用，则可使得主梁的横向侧移呈现图13所示趋势。类似的现象在野马滩大桥震害中同样有体现：大多数桥墩两侧的挡块均出现显著破坏，主梁横向残余侧移呈现波动趋势［11-12］。

图13 主梁横向位移Fig.13 Transverse displacement measurement of the girders

图14 典型挡块震害Fig.14 Seismic damage of the blocks

3.5 主梁倾斜估计

如图15，测量主梁顶面两端的距离d及高差h，即可利用式（2）估计主梁侧向倾斜角度θ。分别测量每个主梁两端的倾角，取均值作为该主梁的倾角估计值，结果如图15（c）所示。

图15 主梁倾角量测（向东倾斜为正）Fig.15 Piers inclination measurement（tilt to east is positive）

对比图15（c）和图13（c）可知，主梁的横向倾斜与横向侧移趋势形状类似。由图14（a）（b）可知，主梁的倾斜就是由横向侧移导致——梁底一侧脱离了支座和垫块的支撑，滑落倾斜。但图13（c）和图15（c）仍存在显著区别：主梁侧移量正负兼有（东西向兼有），而主梁倾斜则均为正（均为东向）。最典型的第6 跨主梁，其侧移为西向，而倾角为东向，其在梁底支座处的表现如图14（c），一侧支座处出现悬空。

是何原因导致上述不协调的震损现象？震害调查显示，其可能与整体桥梁变形以及轨道约束有关。图16为几处主梁连接处轨道的震损照片。轨道出现了不同程度的伸长、屈服、变形甚至断裂。可见遭遇地震作用期间，轨道与主梁具有相对较强的锚固连接，承受了较大的往复拉压作用，轨道的反作用力可能对主梁形成一定的拉结效果，使得铁路桥主梁的整体性有所加强。图13（c）表明，多数主梁的侧移方向为西向。因此有可能在多数主梁出现西向侧移及东向倾斜后，轨道的连接作用对少数东向侧移主梁的转动形成了一定的约束，使其未能出现与侧移相对应的西向倾斜。这与部分已有研究结论［15，16］相符。该震害的具体机理和启示有待进一步的研究分析。

图16 轨道典型震损Fig.16 Seismic damage of the railway tracks

主梁变形量测结果见表2。

表2 硫磺沟铁路桥震害变形测量值Talbe 2 Seismic drift of the beams of Liuhuanggou railway bridge

4 结语

针对青海门源地震中严重震损的硫磺沟铁路桥，借助无人机航拍及倾斜摄影建模技术，构建了这座铁路桥的三维震害模型，并基于该模型对铁路桥的跨度、主梁轴向、侧向位移和转角进行了测量估计，并对震害机理进行了简析。

量测结果表明，铁路桥的震害主要表现为显著的主梁纵向、横向位移和横向倾覆：（1）主梁纵向位移呈现南侧主梁北移，北侧主梁南移，可能源于地表破裂带垂直方向上的脉冲地震动作用及桥台约束；（2）主梁横向位移呈现南侧多数主梁西移，北侧少数主梁东移，可能源于平行于地震破裂带方向的往复运动和行波效应；3）所有主梁的横向转动均为向东倾斜，南侧主梁倾斜幅度较大，北侧主梁倾斜幅度较小，源于横向侧移致使主梁底端一侧滑落至垫块以外，同时轨道对主梁间的相对变形起到一定的约束作用。

作为高速铁路桥近断层震害的典型案例，硫磺沟铁路桥的三维模型和震害位移可为总结震害经验、仿真模拟分析提供技术支持。