張昊宇，黃 勇，汪云龍，管仲國，綻蓓蕾，蔡麗雯

（1.中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱150080；2.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；3.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；4.青海省地震局，青海西寧 810001）

引言

橋梁震害往往給人員生命財產(chǎn)造成較大損失，特別是影響應(yīng)急救援和恢復(fù)重建工作?？茖W(xué)地調(diào)查橋梁的震害信息，為模擬分析、總結(jié)抗震經(jīng)驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就成為一項重要的基礎(chǔ)工作。汶川地震后，四川省交通廳組織開展了系統(tǒng)的橋梁震害調(diào)查，采用逐橋進行外觀檢查，記錄震害基本情況和分布，再通過橋檢車等相關(guān)儀器設(shè)備對裂縫、支座位移變形、主梁位移和橋墩位移等進行測量，最終形成震害調(diào)查報告，為應(yīng)急處置和恢復(fù)重建提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1］。然而限于自然條件，許多橋梁所處地址位置往往為溝壑山澗或是湖泊河流，傳統(tǒng)測量方法進行系統(tǒng)的位移測量和震害調(diào)查困難較大，同時現(xiàn)場震害全貌也難以通過拍照進行完整全面的保留。無人機傾斜攝影測量技術(shù)（UAV）近年來快速發(fā)展，在智慧城市、災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮了獨特優(yōu)勢［2-3］。其靈活自由高效的信息提取優(yōu)勢恰好能彌補傳統(tǒng)橋梁震害調(diào)查的局限，更全面地獲取橋梁震害信息［4］。

2021年5月22日，青海省果洛自治州瑪多縣（北緯34.59°，東經(jīng)98.34°）發(fā)生Ms7.4級地震，震源深度17 km［5］。此次地震中共玉高速段的野馬灘1號、2號大橋出現(xiàn)大面積落梁的嚴(yán)重震害，是本次地震最典型的工程震害之一。震后筆者參加了震區(qū)典型工程震害的科學(xué)考察，著重對這2座大橋進行調(diào)查［6］。

文中介紹了采用無人機傾斜攝影三維建模技術(shù)構(gòu)建了2座大橋的三維模型，并基于該模型對2座大橋的主梁軸向、側(cè)向位移，以及橋墩距離進行了測量估計及分析。一方面將震害現(xiàn)場進行全息保留，整理給出系統(tǒng)的橋梁震害位移，為大橋的震害經(jīng)驗總結(jié)、地震模擬分析提供參考；同時也對無人機傾斜攝影技術(shù)在橋梁震害調(diào)查中的應(yīng)用進行嘗試探索。

1 野馬灘大橋及其震害概況

野馬灘1號、2號大橋位于共玉高速瑪多黃河大橋至巴彥喀拉山段，所處地區(qū)平均海拔約4 200 m，均為雙向分離（含上行線、下行線）簡支橋面連續(xù)空心板橋，跨度20 m，橋面寬度約9 m，下部結(jié)構(gòu)為雙柱墩，1號大橋全長507.4 m，上下行各25跨；2號大橋位于1號大橋以南約1.5 km處，全長約887 m，上行（玉樹至共和）45跨，下行（共和至玉樹）44跨。應(yīng)急管理部、中國地震局2021年5月28日發(fā)布的烈度圖［7］（圖1）顯示，此次地震宏觀震中烈度為Ⅹ度，野馬灘1號橋位于宏觀震中Ⅹ度區(qū)，2號橋位于Ⅸ度區(qū)。預(yù)估的地震破裂帶距鄰近2座大橋，位于野馬灘1號橋北側(cè)。根據(jù)大橋上行線施工圖，典型跨尺寸如圖2所示。震后野馬灘1號橋70%主梁落梁（圖3（a）），野馬灘2號橋上行6跨主梁落梁，下行線橋梁明顯移位但無落梁（圖3（b））。

圖1 瑪多7.4級地震烈度圖［3］及野馬灘1號、2號大橋位置關(guān)系Fig.1 Intensity distribution of the earthquake［3］&the location of the bridges

圖2 野馬灘1號、2號大橋典型跨示意圖Fig.2 Sketch of Yematan No.1&No.2 bridges（unit：cm）

圖3 野馬灘1號、2號大橋總體震害Fig.3 Aerial view of the bridges

2 航拍及傾斜攝影建模

2.1 航拍概況

使用大疆Mavic2 pro進行航拍。由于拍攝區(qū)域水面較多，不利于建模解算，且橋梁側(cè)面及墩柱為建模重點，故航拍采用正攝航線規(guī)劃，其他方向手動控制拍照的方法：除了正攝和4個斜45°方向外，還對破壞較重的野馬灘1號上下行線橋和野馬灘2號上行線橋進行了近距離平視側(cè)面拍照，對野馬灘2號上行線的2個典型橋跨進行了近距離環(huán)繞拍照（圖4，圖5）。采集到的有效照片數(shù)量為野馬灘1號大橋1 966張，野馬灘2號大橋1 859張。照片總體信息如表1所示。

表1 航拍照片數(shù)量Table 1 Aerial photo number

圖4 野馬灘1號大橋航拍分布Fig.4 Aerial photo position for Yematan No.1 bridge

圖5 野馬灘2號大橋航拍分布Fig.5 Aerial photo position for Yematan No.2 bridge

2.2 傾斜攝影建模

使用大疆智圖（DJI Terra）［8］建模：選取三維模型功能，根據(jù)軟件提示，將照片導(dǎo)入后點擊“開始重建”按鈕，即可為自動完成建模。為避免不同位置、高度的照片定位誤差導(dǎo)致的模型重影錯誤，采用以下步驟修正：（1）對不同位置和角度的照片按序列分別建模；（2）以正攝建模為準(zhǔn)，測量不同模型同一位置的坐標(biāo)偏差；（3）修改對應(yīng)序列照片的定位坐標(biāo)，再整體建模。由此生成的模型質(zhì)量較好，圖6、圖7為在Context Capture Viewer瀏覽器中打開的大橋模型。

圖6 野馬灘1號橋震害模型Fig.6 3D damage model of No.1 Yematan bridge

圖7 野馬灘2號橋震害模型Fig.7 3D damage model of No.2 Yematan bridge

受限于設(shè)備及場地條件，模型還存在以下不足：（1）缺乏相控點，模型的定位和尺寸精度缺少參考［9］；（2）拍攝角度所限，除野馬灘2號上行線的30號墩、35號墩附近外，其余橋梁底部較為粗糙（如圖6（b））；（3）由于未出現(xiàn)落梁，野馬灘2號下行線并未近距離拍照，西側(cè)橋墩較粗糙（圖8（a））；（4）由于不同序列照片的定位誤差，野馬灘1號上行線個別橋墩有輕微重疊（圖8（b））。這些不足給模型的震害信息提取和分析帶來一些不便。為了評價測量結(jié)果的誤差，文中采用統(tǒng)計方法分析了量測結(jié)果。

圖8 模型不足Fig.8 Deficiencies of the models

3 橋梁典型尺寸和震害位移量測

如圖9所示，借助3D模型瀏覽器Context Capture Viewer，可量測兩座大橋的蓋梁寬度、橋墩間距和縱橫橋向位移等信息。

圖9 關(guān)鍵尺寸量測Fig.9 Size measurement

3.1 橋梁跨度及橋墩寬度

如圖10，對每個橋墩和橋跨，在兩側(cè)（東、西）分別測量蓋梁寬度b，及相鄰橋墩蓋梁的距離L1，L2。以0.5（L1+L2）作為該側(cè)橋梁跨度的估計值。由此得到2座大橋的尺寸如表2、表3所示。

表3 野馬灘2號橋橋梁跨度及橋墩寬度測量值Table 3 Bent cap width&span of Yematan No.2 bridge cm

圖10 蓋梁寬度及墩距量測Fig.10 Bent cap width&span measurement

表2 野馬灘1號橋橋梁跨度及蓋梁寬度測量值Table 2 Bent cap width&span of Yematan No.1 bridge cm

對表2、表3數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖11。假定測量值符合正態(tài)分布，則蓋梁寬度觀測值的變異系數(shù)為1號橋0.65%，2號橋0.77%；具有95%保證率的蓋梁寬度范圍為：1號橋167.2～171.6 cm；2號橋167.4～172.4 cm?？缍炔钪担纯缍攘繙y值與設(shè)計值間的差值）變異系數(shù)為1號橋上行線0.14%，2號橋上行線0.13%；具有95%保證率的跨度偏差范圍為：1號橋上行線-4.5～6.5 cm，2號橋上行線-4.0～5.0 cm。

圖11 蓋梁寬度及橋梁跨度統(tǒng)計Fig.11 Statistical analysis of bent cap width&span

可見，蓋梁寬度和橋跨度的量測值基本符合設(shè)計尺寸。這一方面驗證了大橋三維模型的尺寸和位移具有一定的精度，也表明多數(shù)橋墩大概率未出現(xiàn)明顯傾斜位移。

相比之下，跨度差值的均值偏差（1 cm左右）和標(biāo)準(zhǔn)差（2.8 cm左右）均大于蓋梁寬度的統(tǒng)計結(jié)果（均值偏差≤0.4 cm，標(biāo)準(zhǔn)差1.2 cm左右）。這主要源于個別橋墩可能出現(xiàn)受震側(cè)移，使跨度觀測值偏離設(shè)計值。

3.2 主梁位移估計

由于缺少參照點（如橋梁中線），震害位移無法直接量測。基于前述分析，大部分橋墩未出現(xiàn)明顯側(cè)移，因此如圖12所示，首先量測每個橋墩處的典型尺寸（dm、we、b），對應(yīng)位置大橋的縱向位移dl采用式（1）估算，之后按照式（2），以東西兩側(cè)縱向位移平均值dˉl表征主梁在該橋墩處的縱向位移。除野馬灘2號橋下行線外，均采用式（3），以主梁與蓋梁外側(cè)的距離之差估算橋梁的橫向位移。對于野馬灘2號橋下行線，由于模型的橋梁西側(cè)較為粗糙，相應(yīng)位移難以準(zhǔn)確量測，因此橋梁縱向位移dt以東側(cè)量測值為準(zhǔn)；橋梁橫向位移dc采用式（4）計算。

圖12 大橋位移量測及推算示意圖Fig.12 Seismic displacement measurement

式中：dl為主梁在某一方向（東E或西W）沿橋梁縱向的位移；dm為主梁端部距蓋梁側(cè)面的距離；we為伸縮縫寬；b為蓋梁寬度；dl為主梁的平均縱向移位。dt為主梁在橫橋向的位移；dte為主梁東側(cè)面距未破壞的蓋梁東側(cè)外邊緣的距離；dtw為主梁西側(cè)面距未破壞的蓋梁西側(cè)外邊緣的距離；dte0為主梁東側(cè)面距蓋梁東側(cè)外邊緣的設(shè)計距離，參考二號橋上行線施工圖（圖1），取為35 cm。

按上述方法對所有橋墩的位移進行量測估算，結(jié)果如表4、表5所示。

根據(jù)表4、表5，未落梁時選取2個橋墩處橫向及縱向位移平均值作為該跨主梁的位移；落梁時選取未脫落一側(cè)橋墩處的量測值作為該跨主梁位移。由此可得表6、表7及圖13、圖14主梁震害位移分布。

圖13 （續(xù)）Fig.13（Continued）

圖13 野馬灘1、2號橋主梁位移Fig.13 Seismic drift of the beams of Yematan No.1&No.2 bridge（unit：cm）

表4 野馬灘1號橋震害位移Table 4 Seismic displacement of Yematan No.1 bridge cm

表5 野馬灘2號橋震害位移Table 5 Seismic displacement of Yematan No.2 bridge cm

表6 野馬灘1號橋主梁震害位移Table 6 Seismic drift of the beams of Yematan No.1 bridge cm

表7 野馬灘2號橋主梁震害位移Table 7 Seismic drift of the beams of Yematan No.2 bridge cm

由圖13可知，大橋的震害位移呈現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）所有橋梁的縱向位移均為北向，呈現(xiàn)了顯著的地震動近場大脈沖效應(yīng)［10-14］。野馬灘1號橋的縱向位移（均值上行86 cm，下行72 cm）明顯大于2號橋（均值上行49 cm，下行33 cm），這與1號橋離斷裂帶更近相一致。1號橋和2號橋的縱向位移變化趨勢有所不同：1號橋總體沿均值上下波動，而2號橋由北至南位移不斷增大。推測原因為：1號橋主梁共計35跨落梁，占比70%，主梁的縱向移動受到的限制相對較??；2號橋上行段7跨主梁脫落，其他均未落梁，大多數(shù)主梁縱向位移受到相鄰跨主梁的約束。在縱向地震動脈沖作用下，北側(cè)橋臺約束了第一跨主梁的縱向位移，同時伸縮縫逐一被壓縮，由北至南累積，造成了遠離斷裂帶一側(cè)的縱向位移越來越大。7個落梁橋跨均位于遠離斷裂帶的橋臺附近，可能與之相關(guān)。脫落的主梁，縱向位移總體較大，但也有部分未脫落的主梁，縱向位移大于落梁橋跨，原因可能為：1）主梁向北滑移，從一側(cè)橋墩脫開后向下塌落，主梁在重力作用下可能向南滑落，使殘余側(cè)移有所減小；2）部分主梁雖未脫落，實際介于倒塌邊緣，殘余側(cè)移也較大。

（2）橋梁的橫向位移呈現(xiàn)一定的隨機性：1號橋上、下行線的平均位移均為西向，但少數(shù)主梁殘余側(cè)移為東向；2號橋的橫向位移平均值則均為東向，也有部分主梁保留了西向的側(cè)移。無論主梁的殘余側(cè)移為哪個方向，蓋梁兩側(cè)的擋塊絕大多數(shù)均出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞（如圖6，圖7），說明大橋在東西向經(jīng)歷了顯著的往復(fù)運動。1號橋的橫向位移波動范圍顯著大于2號橋，這與1號橋更接近斷裂帶相一致。

（3）兩座大橋上下行線的縱橫向殘余位移曲線均保留著波動趨勢，可能與地震動的行波效應(yīng)有關(guān)［15-17］。

3.3 橋墩位移估計

表2、表3給出了橋梁跨度（即蓋梁間距）量測值?；谶@些數(shù)據(jù)，我們嘗試對橋墩位移進行估計。3.1節(jié)橋墩間距的統(tǒng)計結(jié)果顯示，絕大多數(shù)橋墩間距接近20 m，且大部分橋墩發(fā)生位移的可能性不大。因此采用式（5）對橋墩是否可能出現(xiàn)震損位移進行估計。

式中：la為橋墩一側(cè)的墩距量測值；lb為該墩另一側(cè)墩距量測值；Δl為橋墩左右兩跨間距差值絕對值。

由于橋墩間距差Δl受橋墩兩側(cè)間距的共同影響，因此并非與該橋墩位移具有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。但間距差較大的橋墩，出現(xiàn)震損位移的可能性相對較大，可用于指導(dǎo)進一步的調(diào)查和測量。

使用式（5）對2座大橋中間區(qū)段的橋墩逐一計算，可得表8、表9及圖14所示結(jié)果。

基于表8、表9及圖14結(jié)果，認為可能出現(xiàn)傾斜移位，需進一步重點關(guān)注的橋墩包括：1號橋上行線16號墩、20號墩；1號橋下行線14號墩、17號墩、20號墩；2號橋上行線30號墩、35號墩；2號橋下行線14號墩、37號墩。

圖14 橋墩間距差ΔlFig.14 Piers distance differenceΔl（unit：cm）

表8 野馬灘1號橋橋墩間距差ΔlTable 8 Pier distance of Yematan No.1 bridge cm

表9 野馬灘2號橋橋墩間距差ΔlTable 9 Pier distance of Yematan No.2 bridge cm

對照生成的橋梁三維模型，2號橋上行線的30、35號墩確實出現(xiàn)了肉眼可見的傾斜（圖7（b）、7（c）），落梁碰撞可能為其傾斜原因之一。1號橋下行線的17號墩，東側(cè)墩柱出現(xiàn)了疑似剪切失效的嚴(yán)重破壞（圖15），西側(cè)墩柱則未見明顯傾斜和損壞。墩柱的損壞很可能與該區(qū)域發(fā)現(xiàn)的大面積砂土液化相關(guān)［6，10，18-20］，具體有待進一步研究。

圖15 野馬灘1號橋下行線17號墩柱震損Fig.15 Damage of No.17 pier column

4 結(jié)語

針對公路橋梁震害調(diào)查中，震害位移難于系統(tǒng)測量、震害信息難以完整保留的問題，以遭遇青?，敹?.4級地震的野馬灘1號、2號大橋為例，基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)，構(gòu)建了2座大橋的精細震害三維模型，量測評估了大橋的震害位移。

基于震害三維模型對大橋蓋梁寬度、橋梁跨度逐一量測，對量測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并與2座大橋上行線施工圖對比，結(jié)果表明模型尺寸基本符合施工圖，具備一定精度。多數(shù)橋墩未出現(xiàn)明顯震害位移或傾斜。

通過量測三維模型的關(guān)鍵尺寸，基于橋梁構(gòu)件的幾何關(guān)系，評估了2座大橋所有主梁的縱向、橫向位移。結(jié)果顯示，所有主梁的縱向位移方向均為北向，表明大橋在垂直于地震破裂帶的方向上受到了顯著的脈沖地震動作用。野馬灘1號橋的平均縱向位移（上行86 cm，下行72 cm）明顯大于2號橋（上行49 cm，下行33 cm）；1號橋70%的主梁脫落，縱向位移由北至南圍繞位移均值波動變化；2號橋上行線南部局部落梁，縱向位移由北至南逐漸增大。2座大橋的橫向位移呈現(xiàn)波動變化，具有一定的隨機性，同時大部分蓋梁兩側(cè)擋塊均嚴(yán)重破壞，表明在平行于地震斷裂帶方向上受到了顯著的往復(fù)地震作用。

基于量測得到的橋墩間距，利用相鄰跨間距差值對橋墩傾斜移位進行了初步估計。結(jié)果表明少數(shù)橋墩出現(xiàn)了傾斜或移位。對比三維震害模型，野馬灘2號橋上行線橋墩間距差最大的30號墩、35號墩確實出現(xiàn)了肉眼可見的傾斜；野馬灘1號橋間距差最大的17號橋墩，東側(cè)墩柱出現(xiàn)嚴(yán)重剪切破壞，可能與該地區(qū)大面積的砂土液化有關(guān)。

大橋震害三維模型和位移數(shù)據(jù)可為總結(jié)震害經(jīng)驗、仿真模擬分析提供技術(shù)支持；文中工作也可為橋梁震害信息提取和保留提供技術(shù)方法上的參考。如讀者需要2座大橋的三維模型文件，可郵件聯(lián)系第一作者。