陳建兵，李金平，熊治華，李佳文，張會建

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點實驗室, 陜西 西安 710075；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

因地質(zhì)板塊運動，我國是一個地震災(zāi)害多發(fā)的國家。除了本次發(fā)生在青?，敹嗟牡卣穑陙戆l(fā)生的大地震包括2010年4月14日的青海玉樹地震、2008年5月12日的汶川大地震。在汶川地震中，公路橋梁慘遭重創(chuàng)，大量橋梁破壞甚至垮塌。李春鳳[1]介紹了汶川地震的震源機制，對地震中橋梁震害情況進行了歸納總結(jié)：上部結(jié)構(gòu)存在落梁、局部碰撞破壞、縱向與橫向移位等震害現(xiàn)象，下部結(jié)構(gòu)主要破壞形式為橋墩折斷、混凝土剝落、開裂、擋塊普遍失效。尹海軍等[2]借鑒國內(nèi)外有關(guān)橋梁地震的損傷規(guī)律，分析了橋梁損傷的主要原因，并提出了一些意見，以供災(zāi)區(qū)橋梁的修復和重建工作參考。莊衛(wèi)林等[3]分析了橋長和支座布置方式對抗震的影響，并提出了關(guān)于次生地質(zhì)災(zāi)害、橋型等方面對橋梁抗震的啟示與對策。范立礎(chǔ)等[4]對汶川震區(qū)213國道上橋梁震害進行了調(diào)查，并結(jié)合震區(qū)梁橋的結(jié)構(gòu)特點，得出分析結(jié)果：梁橋的主要破壞模式為落梁、支座懸空、擋塊和伸縮縫破壞，是由梁底與板式橡膠支座頂產(chǎn)生相對滑動，梁體發(fā)生較大位移而引起的，并提出了一些抗震設(shè)計建議。

汶川地震中對于橋梁震害的大量調(diào)研及總結(jié)對此后我國橋梁在抗震設(shè)計方法的改進提供了寶貴經(jīng)驗，但此次瑪多地震又與以往發(fā)生的地震有所不同，瑪多既處于凍土區(qū)又屬于地震高烈度區(qū)，對于凍土區(qū)橋梁的抗震設(shè)計方法，目前研究較少。張熙胤等[5]總結(jié)了凍土區(qū)橋梁抗震的多年研究現(xiàn)狀，認為目前凍土區(qū)的橋梁抗震設(shè)計中沒有充分考慮凍土場地效應(yīng)的影響，且仍缺乏相應(yīng)的凍土區(qū)抗震規(guī)范。同時，凍土區(qū)橋梁由于基礎(chǔ)凍脹融沉等因素[6]，結(jié)構(gòu)形式大都采用簡支，在地震發(fā)生時因結(jié)構(gòu)體系原因上部位移偏大。本文實地調(diào)研了瑪多地震中典型橋梁的震害情況，并對其破壞模式進行了分類，分析了此次橋梁震害產(chǎn)生的機理，探討了適用于高寒強震區(qū)橋梁總體設(shè)計的方案。

1 震害調(diào)研

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，北京時間2021年5月22日02時04分，青海省果洛州瑪多縣發(fā)生了7.4級地震。此次地震震源深度17 km，震中位于北緯34.59°，東經(jīng)98.34°，是汶川地震之后中國發(fā)生的震級最高的一次地震。在此次地震中19人受傷，0人死亡。根據(jù)相關(guān)資料，初步判斷此次地震由瑪多-甘德斷裂帶左旋走滑造成。張喆等[7]給出了此次地震的矩心矩張量解。

另外，瑪多縣曾在1995年12月18日發(fā)生過6.2級地震，在1997年10月13日和12月6日兩次發(fā)生地震，震級分別為4.2級和4.4級，兩次地震都沒有人員傷亡，但由于兩次地震震源深度均較淺，建筑物受損比較嚴重，兩次地震震災(zāi)損失總計為194.54萬元[8]。2015年10月12日瑪多發(fā)生5.2級地震，馬玉虎等[9]根據(jù)該次地震的區(qū)域構(gòu)造背景和震源機制，分析了該次地震的發(fā)震構(gòu)造。王培玲等[10]根據(jù)該次地震的構(gòu)造背景、余震序列等信息，認為地震序列為孤立型地震，屬左旋走滑類型。郭文斌等[11]利用瑪多-共和-雅布賴人工地震測深剖面的沉積蓋層等信息，分析了青藏高原東北緣與外圍塊體間的上部地殼耦合及與地表構(gòu)造形態(tài)之間的關(guān)系。由此看出，瑪多屬于地震發(fā)生比較頻繁的高寒地區(qū)。因此，對于這類地區(qū)的橋梁建設(shè)及運營應(yīng)予以高度重視。本次地震發(fā)生后，作者會同相關(guān)部門人員立即開展了實地調(diào)研。

1.1 野馬灘大橋

野馬灘大橋位于果洛藏族自治州瑪多縣野馬灘，橋址區(qū)為低山平原地貌。橋位兩側(cè)均為灘地，地形平坦，坡度2°～5°，地層巖性主要為砂土、粉質(zhì)黏土、礫砂、圓礫，地下水埋深較淺，局部湖塘中分布小島，地表積水。該橋平面位于圓曲線半徑R=987.301 m，緩和曲線長Ls=150 m、Ls=160 m的平曲線內(nèi)?？鐝浇M成為5×(5×20) m，與路線前進方向右偏角為90°，上部結(jié)構(gòu)為先張法預應(yīng)力混凝土空心板。下部采用柱式墩、柱式臺、摩擦樁基礎(chǔ)，支座采用橡膠支座。

該橋左右分幅，且距離地震斷層非常近，地震發(fā)生后，發(fā)生連續(xù)多跨落梁，其中左幅落梁19跨，右幅落梁18跨，且每跨落梁方式均為主梁單側(cè)落地，如圖1所示。橋臺路基過渡段損毀，橋臺出現(xiàn)損傷，如圖2所示。

圖1 多跨落梁形態(tài)

圖2 橋臺路基過渡段損毀

從1#墩橫截面(見圖3)和立面圖(見圖4)可以看出，主梁、蓋梁、橋墩均未發(fā)生明顯破壞，說明構(gòu)件設(shè)計較為合理，但主梁順橋向位移超過蓋梁寬度，僅依靠橋面連續(xù)構(gòu)造無法承擔主梁重量而發(fā)生斷裂，從而導致落梁發(fā)生，同時該主梁也撞推相鄰主梁，使之也發(fā)生超過蓋梁寬度的位移，進而導致其相鄰橋跨發(fā)生落梁，由此形成連續(xù)多跨的落梁形態(tài)。雖然有些橋跨未發(fā)生落梁，但其主梁縱橋向位移已接近蓋梁所能支撐寬度極限，如圖5所示。另外從圖3還可以看出，因為主梁發(fā)生順橋向大位移，支座無法承受超過其剪切變形的極大剪力，所以導致支座脫落。

圖3 1#墩處橫截面

圖4 1#墩處立面圖

1.2 野馬灘2#大橋

該橋位于果洛藏族自治州瑪多縣查拉坪，橋址區(qū)為中山地貌。兩岸橋臺位于斜坡上，兩側(cè)橋岸自然坡角約5°。橋位處路線平曲線半徑R=900 m，緩和曲線長Ls=130 m，橋孔布置于圓曲線、緩和曲線及直線段內(nèi)，墩臺徑向布置?？鐝浇M成為9×(5×20) m，與路線前進方向右偏角為90°，上部結(jié)構(gòu)為先張法預應(yīng)力混凝土空心板。下部采用柱式墩、柱式臺、摩擦樁基礎(chǔ)。支座采用橡膠支座。

圖5 未落梁跨主梁縱橋向位移

該橋也為左右分幅，距離地震斷層也很近，但相對野馬灘大橋更遠，震后左幅未落梁，右幅出現(xiàn)七跨落梁。其落梁形態(tài)與野馬灘大橋一致，均為如圖6所示的主梁單側(cè)落地。

圖6 2#橋落梁形態(tài)

另外，從圖7和圖8可以看出，和野馬灘大橋類似，該橋也是主梁、蓋梁、橋墩均未發(fā)生明顯破壞，主梁順橋向位移超過蓋梁支承寬度，但該橋距離斷層比野馬灘大橋遠，所以震害相對小些。且未落梁橋跨也發(fā)生較大順橋向位移，達到已接近落梁的極限狀態(tài)，如圖9所示。

2 瑪多地震破壞模式探討

除了野馬灘大橋和2#橋外，昌馬河橋震害情況與第1章相似。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研與相關(guān)資料，將瑪多地震中橋梁的破壞模式分為以下三種：

圖7 主梁橫斷面圖

圖8 橋墩處立面圖

圖9 未落梁橋跨主梁順橋向位移

(1) 因橋位處在斷裂帶附近，強大的脈沖地震力使主梁發(fā)生較大的縱橋向位移，直接導致連續(xù)落梁和其它震害。同時，幾座橋梁的主梁均為結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)的預應(yīng)力混凝土梁，橋面連續(xù)構(gòu)造層在碰撞過程中起到了傳力作用，主梁自重較大，當位移超過蓋梁寬度后，單靠橋面連續(xù)構(gòu)造層無法承擔其重量而導致斷裂。

(2) 支座的變形能力已超過其設(shè)計剪切變形能力，故其難以承擔主梁過大的縱橋向位移，從而支座脫落。

(3) 地震作用下，主梁發(fā)生的順橋向的大位移，使得主梁撞擊橋臺，從而導致橋臺損壞和橋臺路基過渡段損毀。

3 瑪多震害對寒區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的影響

在此次關(guān)于震害中橋梁破壞模式的調(diào)研基礎(chǔ)之上，探討關(guān)于高寒強震區(qū)橋梁總體設(shè)計的優(yōu)化方案：

(1) 對于上部結(jié)構(gòu)采用預應(yīng)力混凝土的梁橋，需要采取相應(yīng)的隔震措施，摩擦擺支座和減震球型支座均能有效降低順橋向橋墩內(nèi)力和位移，而且從支座的豎向承載力和恢復剛度等方面考慮，采用鋼隔震支座優(yōu)勢顯著，故建議預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋可采用摩擦擺等鋼支座作為隔震措施[12]。但同時也必須指出，若采用預應(yīng)力混凝土上部結(jié)構(gòu)，隔震支座等配套附屬構(gòu)造較為昂貴，會顯著增加工程造價。另外可通過增大伸縮縫間隙以及支座屈服位移的方式減少縱橋向主梁與橋臺的碰撞次數(shù)[13]。青藏地區(qū)屬于凍土區(qū)，考慮到在凍土區(qū)低溫對混凝土的不利影響，可以通過摻加抗凍劑和引氣劑提高混凝土的低溫抗凍性。此外，青藏地區(qū)紫外線強烈，會加速混凝土材料的老化，對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響，故應(yīng)采取一定的構(gòu)造措施，主要有：施加表面防護，如涂漆、砂漿抹面等；進行表面處理。另外，對采用FRP片材加固的混凝土結(jié)構(gòu)，還可以通過增大FRP粘貼層數(shù)，對浸漬樹脂進行改性等[14]方式加強結(jié)構(gòu)的耐久性；還有一些學者對整體式橋臺[15]和鋼管混凝土組合橋墩[16]進行了抗震方面的研究。

(2) 對于新建或者改、擴建的橋梁，上部結(jié)構(gòu)可采用較輕的組合梁，減輕上部結(jié)構(gòu)的自重，從而減小地震慣性力，且無需采用專門的隔震支座，此外，采用自重小的上部結(jié)構(gòu)，也將會相應(yīng)節(jié)省下部凍土樁基的工程量。作者[17]提出一種裝配式鋼-混凝土組合橋梁，30 m跨徑時鋼梁高度范圍在1.3 m～1.8 m，40 m跨徑時鋼梁高度范圍在1.6 m～2.1 m，與一般的組合梁相比，可快速施工，現(xiàn)場作業(yè)少，且在路線平面無曲線彎斜條件下，工程經(jīng)濟優(yōu)勢顯著。此外，也可考慮如圖10所示MVFT鋼-混凝土組合梁[18]，其梁體輕便，施工迅速，30 m跨徑時鋼梁高度范圍在0.7 m～1.0 m，40 m跨徑時鋼梁高度范圍在1.2 m～1.5 m。鋼梁部分和混凝土板全部在工廠預制，利于減小混凝土板收縮徐變和快速施工投入使用。現(xiàn)將預應(yīng)力混凝土梁、整體裝配式鋼混組合梁、MVFT組合梁橋型的工程經(jīng)濟指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)列于表1中。另外，對于小跨徑的旱橋(8 m～16 m)，拉擠型GFRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)自重輕、強度高、施工快、耐久性好，且造價經(jīng)濟，施工可作為模板，也是一種在高寒強震區(qū)具有廣闊應(yīng)用前景的上部結(jié)構(gòu)形式，其混凝土橋面板厚度120 mm左右，組合梁全高大約680 mm，結(jié)構(gòu)形式如圖11所示。

圖10 MVFT橫截面構(gòu)造圖

表1 工程經(jīng)濟指標

圖11 拉擠型GFRP-混凝土組合梁

(3) 此次地震中落梁是較為頻發(fā)的一種嚴重震害，應(yīng)予以重視。采用拉索式、鋼板式、鏈式防落梁裝置等均為較好的防落梁措施。也可將阻尼器與限位器、模數(shù)式伸縮縫與限位器、橡膠緩沖裝置與限位器兩兩組合使用[19]?；旌涎b置結(jié)合了多種材料或裝置的優(yōu)點，防落梁和碰撞破壞效果較好[20]。同時，結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)的構(gòu)造在強震時，橋面構(gòu)造層起到了類似于剛性連桿的作用，傳遞了簡支梁之間巨大的碰撞力；因此在設(shè)計方法上，橋面連續(xù)構(gòu)造層從配筋、厚度、聯(lián)長上應(yīng)通盤考慮；其理想的力學模型為“可熔斷的連桿”，如圖12所示，在小震作用下，可熔斷的連桿發(fā)生彈性變形；強震作用時，結(jié)構(gòu)在巨大的拉力或者壓力下自身發(fā)生斷裂，從而阻止其傳遞梁與梁之間的力，同時還可以吸收地震的一部分能量；未來可開展大比例尺的實橋模型地震碰撞試驗、非線性的振動數(shù)值計算以深入研究“可熔斷”橋面連續(xù)構(gòu)造層的力學機理。綜上，需要進一步完善防落梁的構(gòu)造措施及設(shè)計方法。

(4) 此次震害中，路橋過渡段均出現(xiàn)了明顯的震害，主要包括橋臺搭板端部路面出現(xiàn)的擠壓隆起，和橋臺伸縮縫的張裂。實際上，在未發(fā)生地震時，由于凍土段路基和橋臺的不均勻變形，某些路橋過渡段已經(jīng)產(chǎn)生了初始病害[21]。在場地允許情況下，在新、改建時可考慮肋式橋臺-片塊石路基過渡方案，該方案的優(yōu)點在于肋式橋臺的肋板之間有空隙，使得背墻后路基土體和外界可實現(xiàn)對流，同時該結(jié)構(gòu)的路基部分采用片塊石實現(xiàn)逐漸過渡，與橋臺臨近的路基整體自身也可保持凍土地溫。

圖12 可熔斷的連桿工作機理示意圖

4 結(jié) 論

此次橋梁震害的直接原因系近場地震力效應(yīng)突破了大橋抗震設(shè)計參數(shù)。高寒強震區(qū)環(huán)境惡劣，本身就會導致橋臺凍害、樁基凍脹、融化下沉等病害，因此對于材料的選用、結(jié)構(gòu)形式的選擇等都需要慎重考慮，橋梁上部本文推薦采用的組合結(jié)構(gòu)相對于預應(yīng)力混凝土梁自重輕、施工快、震害風險較低。另外，本文所討論的支座、抗震擋塊、提出的“可熔斷”的簡支梁橋面連續(xù)構(gòu)造層等附屬構(gòu)造，直接關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)在地震響應(yīng)中吸收能量、控制位移等關(guān)鍵功能的實現(xiàn)，故其在高寒強震區(qū)橋梁設(shè)計中也應(yīng)予以高度重視。