2.1　上部结构的震害

桥梁上部结构的震害,按照震害产生原因的不同,可分为上部结构自身的震害、上部结构的移位震害(包括落梁震害)以及上部结构的碰撞震害。

2.1.1　上部结构自身的震害

桥梁上部结构自身遭受震害而被毁坏的情形比较少见。在发现的少数震害中,主要是钢结构的局部屈曲破坏。图2.1.1所示为1995年阪神地震中钢箱梁侧壁和底板的屈曲破坏实例;图2.1.2所示为阪神地震中拱桥风撑的屈曲破坏。

2.1.2　上部结构的移位震害

桥梁上部结构的移位震害在地震中极为常见,这种震害表现为桥梁上部结构的纵向移位、横向移位以及扭转移位。一般来说,设置伸缩缝的地方容易发生移位震害。在地震中,最为常见的是桥梁上部结构的纵向移位和落梁震害。如果上部结构的移位超出了墩、台等的支承面,则会发生更为严重的落梁震害。上部结构发生落梁时,如果撞击桥墩,还会给下部结构带来很大的破坏。当然,桥梁支座和墩台的毁坏也会导致上部结构的坠落。

图2.1.3所示为2008年我国汶川地震中桥梁上部结构的纵向移位震害,其中左侧主梁纵向移位达50cm,已发生支座脱离,但未超出盖梁支承面,因而未发生落梁;图2.1.4所示为汶川地震中上部结构的横向移位震害,盖梁的横向抗震挡块有效地限制了上部结构的横向位移。这两者都是移位未超出支承面的实例,所以没有发生更为严重的落梁震害。

图2.1.5为汶川地震中映秀岷江大桥的横向移位震害。该桥上部为预应力简支板梁斜桥,主梁与盖梁斜交角约为80°,地震中主梁发生水平面转动,映秀岸梁端向上游产生移位80cm左右,汶川岸向下游移位150cm左右,支座脱落,混凝土挡块破坏。

在1971年美国圣·费尔南多地震(San Fernando,M 6.7)中,两座互通式立交工程严重倒塌毁坏:一座是金州5号高速干道与14号高速公路的立交枢纽,如图2.1.6所示;另一座是金州5号高速干道与州际210干道的立交枢纽,如图2.1.7所示。两座立交枢纽工程部分塌落的外因,主要与台墩间和桥墩间过大的水平相对位移有关;而内因除了部分墩柱的抗震能力不足外,主要与桥墩墩顶和挂梁支承牛腿处的支承面过窄有关。虽然在伸缩缝处设置有连接限位螺栓,但其强度还不足以限制纵向相对位移。这种落梁震害,在高墩支承的多跨桥梁中尤为突出。图2.1.6中坠落的主梁就支承在高约43m、横截面为1.8m×3m的独柱墩上。

图2.1.8显示的是2008年我国汶川地震中庙子坪大桥的引桥第5跨(从主梁计算)落梁震害。庙子坪大桥主桥为连续刚构,桥墩高108余米,引桥为50m先简支后连续桥梁(桥面连续),共19跨。地震时庙子坪大桥还没有通车,但主体结构已完工。由于地震中梁、墩相对位移过大,引桥第5跨伸缩缝处由于梁墩位移大于墩顶支承面宽度而落梁。由图2.1.8(b)和(c)可以看出,庙子坪大桥引桥采用板式橡胶支座,板式橡胶支座放在支座垫石上,支座垫石的支承宽度约50cm,没有采用任何纵桥向的防落梁措施。由于板式橡胶支座与梁底、支座与垫石之间均无连接,地震中,梁底与支座顶面、支座底面与垫石之间产生相对滑动,当梁端与支座垫石间的相对位移超过支座垫石支承宽度而落梁,由图2.1.8(b)可以看出落梁时梁底与支座垫石和桥墩边缘碰撞产生的损伤。可见,落梁除与地震引起较大梁、墩相对位移有关外,还与支承部位的构造细节有关。

图2.1.9所示为1989年美国洛马·普里埃塔地震(Loma Prieta Earthquake,M 7.0)中,旧金山—奥克兰海湾大桥引桥的一跨落梁震害。梁体塌落的主要原因是设计低估了相邻桥墩间的相对位移,致使连接螺栓剪断。

图2.1.10所示为1995年日本阪神地震中西宫港大桥(主跨252m的钢系杆拱桥)第一跨引桥脱落的震害现象。落梁的原因主要是主桥和引桥间的相对位移过大,桥墩的支承面太窄,且支座、连接限位构件失效。图2.1.11(a)、(b)分别为落梁跨两侧的墩顶震害。

图2.1.12所示为2008年我国汶川地震中,百花大桥第5联完全垮塌。图2.1.13所示为百花大桥第5联和第6联的平面布置,第6联桥台设置双向滑动支座,19号墩为固定墩,在18号墩后1.73m处设牛腿,牛腿上设置双向滑动支座;第5联为5m×20m连续梁,位于半径为66m的圆曲线上,第5联的第5跨梁左端支承在牛腿上,16号墩为固定支座,第2跨采用双向滑动支座支承在13号墩顶。第6联和第5联各桥墩的墩高见表2.1.1,由此可以看出,第5联的固定墩与第6联的固定墩的墩高度相差近3倍,第5联与第6联的整体刚度和动力特性相差较大,地震中第5联和第6联发生非同向振动,导致牛腿处第5联左梁端与第6联梁端发生大于支承宽度(60cm)的位移,而桥梁缺乏必要的纵、横向连接构造措施,所以第5联左梁端落梁折断,并进一步冲击下部结构导致整体垮塌。没有发生垮塌的相邻桥的桥墩发生了不同程度的破坏。

2.1.3　上部结构的碰撞震害

如果相邻结构的间距过小,在地震中就有可能会发生碰撞,产生非常大的撞击力,从而使结构受到破坏。桥梁在地震中的碰撞,比较典型的有:相邻跨上部结构的碰撞、上部结构与桥台的碰撞以及相邻桥梁间的碰撞。

图2.1.14为1989年美国洛马·普里埃塔地震中相邻跨上部结构的碰撞震害,图2.1.15为2008年我国汶川地震中相邻跨上部结构的碰撞震害。

图2.1.16为1995年阪神地震中两相邻钢结构板梁桥在地震作用下,由于间隙预留的距离小,间隙内也没有设置防撞击的弹性材料,致使两片主梁相互碰撞,各主梁端部发生局部失稳变形。

图2.1.17为1989年美国洛马·普里埃塔地震中相邻桥梁结构间的碰撞震害。图中为较低桥梁的上部结构与支承相邻较高桥梁的墩柱间的碰撞。这种碰撞是非常不利的,因为撞击力会大大增加墩柱的剪力,严重时会导致墩柱的剪切破坏,从而引起桥梁的倒塌。所以,这种碰撞应通过设置足够的间距予以避免。