广东省桥梁抽样调查与地震易损性评价

杜 鹏，姜 慧，王立新，李小华

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室（筹），广东 广州 510070)

广东省桥梁抽样调查与地震易损性评价

杜 鹏1，2，3，姜 慧1，2，3，王立新1，2，3，李小华1，2，3

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室（筹），广东 广州 510070)

结合广东省水系分布抽样定位代表性大型、特大型桥梁位置，并在此基础上进行现场调研，着重了解这些大桥的基本属性和使用现状，同时借鉴四川汶川地震震害资料分析桥梁震害特点，进一步对所调查的桥梁做群体地震易损性分析，从而给出主要病害成因，提出完善桥梁设计理念和防震措施的一些意见。

桥梁；地震；易损性分析

引言

广东省位于中国东南沿海地区，河网纵横交错，水系发达，独特的地理环境决定了广东省公路建设中跨越江河山川的桥梁多、技术复杂的特点。水系分布直接影响到桥梁的选址、建设规模和密集程度。

广东省内如西江、北江、东江及各支流、水道、出海口是众多大型、特大型桥梁座落之所，桥位分布示意图如图1。据调查，跨越西江的桥梁数量多，规模大，有佛山三水区金马大桥、肇庆西江大桥、江门九江大桥、珠海斗门大桥等；跨越北江有清远英德人民大桥、佛山油金大桥等；跨越东江有惠州东江大桥、东莞东江大桥等；跨越鉴江有茂名鉴江大桥、湛江黄坡大桥等；跨越韩江有汕头莲阳大桥等；跨越珠江有广州海珠大桥、洛溪大桥新光大桥等。

支流水道桥梁数目众多。跨越东莞水道的曲海大桥等、西樵水道的西樵大桥等、骝岗水道的万洲大桥等、蕉门水道的亭角大桥等、东平水道的潭州大桥等、佛山水道的三山西大桥、容桂水道的容奇大桥、德胜大桥等、潭州水道的三善大桥、以及顺德水道西海大桥等。

位于出海口的桥梁有虎门的东莞虎门大桥、蕉门的广州番禺亭角大桥、洪奇沥的广州番禺洪奇沥大桥，磨刀门的珠海大桥、崖门的江门新会崖门大桥等众多桥梁。

图1 桥梁样本分布示意图Fig.1 Distribution Map of Bridge Samples

1 广东省桥梁现状及常见病害

1.1 广东省桥梁现状

因建设年代、设计等级和使用情况的不同，广东省桥梁的健康状况具有较大差异。大多数经过严格设计、规范施工和定期维护的桥梁，其使用功能均可保证发挥正常，但是，也有许多现役桥梁出现了不同情况的病害，如裂缝、挡块破损、腐蚀、结构混凝土保护层脱落致使桥梁结构的刚度、强度及耐久性下降等问题。许多大桥已经经过了维修加固和改建、拆建工作。如广州丫髻沙大桥（图2），因超载等多方面原因，一直无法正常工作，于2011年6月起全面整修。广州鹤洞大桥（图3），自1998年建成并投入使用至今已是 “老态龙钟”，东侧引桥桥面破坏尤为严重，不仅桥面开裂成网状，且经常出现落石现象。珠海井岸大桥（图4）腹拱圈已出现多条裂缝。G15国道跨越漯河支流桥梁，已出现挡块破坏等病害（图 5）。

图2 广州丫髻沙大桥超载严重Fig,.2 Severely Overloaded Guangzhou Yajisha Bridge

图3 广州鹤洞大桥桥面破坏和桥底落石严重Fig.3 Severely Damaged Floor and Rockfall under Guangzhou Hedong Bridge

图4 珠海井岸双曲拱桥腹拱圈开裂Fig.4 Cracked Spandrel Arch of Zhuhai Jingan Bridge (Two-way Arch Bridge)

图5 G15高速路漯河支流桥梁挡块破坏Fig.5 Damaged Stop Dog of G15 Highway Bridge Luohe Section

1.2 桥梁常见病害

经过现场调查和查阅相关资料[1、2]，对广东省已调查桥梁现状有了较为宏观的认识，依据不同桥型大体给出了几类桥梁常见病害，详述如下：

1.2.1 大跨径T形刚构桥、悬臂梁桥、连续刚构桥和连续梁桥的常见病害

（1）T形刚构桥和悬臂梁桥，是主梁跨中设铰或挂梁的多跨桥，区别在于梁体与墩柱的连接，均属于静定或低次超静定结构，具有较矩形梁桥省材料，自重轻的优点。缺点是不适于荷载作用产生较大负弯矩的情况，且抗扭刚度稳定性都比箱梁桥低。上世纪八十年代，广东修建了大量70～100m主跨的T形刚构桥、悬臂梁桥。在运营若干年后，因长悬臂处于一种不受约束的自由变形状态，受荷载作用后悬臂内的弯、扭应力均较大，悬臂末端下挠偏大，产生各个方向裂缝。悬臂端部与挂梁的结合处形成折角，造成伸缩缝损坏、车辆跳车等问题，且反作用于桥梁。

图6 韶关曲江大桥（悬臂梁桥）伸缩缝损坏Fig.6 Damaged Expansion Joint of Shaoguan Qujiang Bridge (Cantilever Beam Bridge)

图7 广州洛溪大桥2号墩桩基承台冲蚀严重Fig.7 Severely Washed out Pile Cap of Pier 2nd,Guangzhou Luoxi Bridge

（2）连续刚构桥和连续梁桥。

上世纪九十年代，大量大跨径的连续刚构桥或连续梁桥建成，现场调研发现多分布于广州市区、广州市番禺区、佛山南海区和禅城区等地。运营若干年后，部分桥梁出现或曾经出现过跨中下挠过大、跨中底板横向开裂；同时腹板出现斜裂缝，顶板出现纵向裂缝，箱梁横隔板和箱梁底板出现裂缝甚至露筋现象；桥墩受冲刷影响四周侧壁出现较多蜂窝、环带空洞、露石、露筋等现象。如广州洛溪大桥（图7、图8）、丫髻沙辅航道桥等。

1.2.2 刚架拱桥的常见病害

刚架拱桥的结构特点：结构组件多，横向整体性弱，在超载车的长期作用下，桥面铺装出现大量纵横向裂缝；主拱顶下缘、拱脚上缘出现横向裂缝；弦杆上出现竖向、斜向剪切裂缝，结构安全隐患极高。如清远北江大桥在超载作用下出现弦杆断裂事故，茂名化州罗江大桥（图9），也出现支撑不足等病害出现。

1.2.3 常规跨径预制结构的常见病害

上世纪八十年代简支T梁桥横向连接采用翼板铰接形式，经过二十余年运营，普遍存在系统性病害：横隔板和翼板铰接缝开裂，如汕头市区杏花桥（图10）。上世纪九十年代预制空心板梁横向连接采用小铰缝形式，经过长期运营，铰缝处出现纵向裂缝等不同程度的损坏，甚至形成 “单板受力”的情况。

1.2.4 浆砌片石桥台的常见病害

图8 广州洛溪大桥箱梁底板砼空洞钢筋外露Fig.8 Exposed Reinforcement from Concrete Void on Bottom Slab of the Girder Box of Guangzhou Luoxi Bridge

图9 茂名化州罗江大桥弦杆损坏和拱脚横向裂缝Fig.9 Damaged Chord and Transverse Crack in the Arch Springing of Huazhou Luojiang Bridge,Maoming

图10 汕头杏花桥T梁横隔梁断裂Fig.10 Diaphragm Fracture of the T-shaped Beam of Shantou Xinghua Bridge

浆砌片石桥（涵）台多应用于上世纪高速公路建设中，缺点为整体性差，易产生台身片石砂浆脱落、局部空洞，锥坡局部沉陷坍塌，台帽、台身、侧墙开裂，如汕头市区杏花桥（图11）前、侧墙外倾，严重时甚至发生坍塌事故。

1.2.5 沿海及内陆桥梁腐蚀病害

图11 汕头市杏花桥台身砌体出现裂缝Fig.11 Cracked Abutment Brickwork of Shantou Xinghua Bridge

（1）沿海地区氯离子腐蚀。沿海的混凝土工程由于长期受到氯离子的侵蚀，混凝土保护层开裂、剥落、钢筋锈蚀等现象严重。

（2）内陆地区混凝土保护层厚度偏薄或混凝土本身质量存在缺陷，在汽车尾气、空气中的二氧化碳、水分作用下，发生混凝土碳化、保护层剥落和钢筋锈蚀等现象。

（3）大量处于河涌中的桥梁，受常年流水冲蚀及施工质量控制差，承台或桩头出现混凝土保护层剥落、钢筋锈蚀现象。如图12，图13所示。

由此桥梁病害成因归纳为以下几点：

（1）设计缺陷：上世纪八九十年代设计的桥梁普遍存在安全储备偏低现象，主要源于偏重强度设计，而耐久性设计的理念尚未融入桥梁设计规范。而且在桥梁设计使用期限内，交通量、车辆行驶速度和车辆轴重逐年增加，已超过当初设计承载能力，桥梁必然出现病害。

（2）结构体系缺陷：材料自身原因，如混凝土的徐变、蠕变效应；整体结构体系缺陷，如刚架拱桥的组合构件受力特性易产生横向整体性不足；局部构造不合理，如简支板梁横向企口式混凝土铰接和钢板焊接等连接，反复受力易脱落，仅依靠翼板铰缝完成传力，必然出现纵裂、破损现象。

图13 梅州某大桥桩基保护层脱落钢筋外露Fig.13 Exposed Reinforcement and Peeling of Covering Layer of Pile Foundation of a Bridge in Meizhou

（3）施工质量问题：主体结构因混凝土质量不合格、施工技术不过关等致使实际混凝土强度未达到设计要求、预应力度不足或失效，板薄弱处出现纵向和横向裂缝等。桥台施工过程中常见的有砌浆的饱满性、排水不利、地基不均匀沉陷等问题。

（4）环境影响：处于干湿交替、反复冻融和盐类侵蚀的环境中，致使大桥寿命缩短。广东省沿海地区桥梁，海水和海风的腐蚀作用严重，桥梁的钢构件被海水和海风腐蚀后，刚度迅速退化，受环境影响大。

（5）超负荷使用：长期处于超载运营状态的桥梁，发生损坏的几率也大大增加。主要表现在桥面铺装层碎裂、伸缩缝损坏、挡块破坏、保护层脱落、拱圈变形，肋腋板开裂、破损，结构横向联结减弱，整体性变差，组合结构受力模式破坏，主要承重构件抗力不够，承载力急剧下降，甚至倒塌损毁。

1.3 桥梁病害与震害

桥梁结构在出现损伤的情况下，如果再次经历地震灾害的侵袭，无疑会加重桥体损伤程度，甚至损毁无法修复。在四川汶川地震后，科考人员曾对陇南公路总段所辖大中小桥现场调研，并对照震前桥梁情况，发现震前已有损伤的桥梁震后损伤加重，如G212线路年家村3号桥，上部结构为1×20m T梁桥。震前兰州岸桥台左侧竖向裂缝，缝宽0.3mm、缝长1m，重庆岸右桥台侧墙竖向裂缝2条，缝宽0.2mm，左路缘石裂缝0.2mm。震后兰州岸桥台左侧竖向裂缝，缝宽变为10mm，缝长成通缝。重庆岸桥台右侧墙竖向裂缝2条，缝宽10mm，缝长成通缝，左侧路缘石裂缝变为5cm[3]。所以桥梁抗震，应在兼顾设计和维护的前提下进行，病害与震害的累积效应可能会远大于地震本身造成的损伤，致使桥梁彻底丧失使用功能。因此，了解桥梁病害现状和震后破坏情况是地震易损性研究中重要的影响因素。

在我国以往的历次破坏性地震后，大批专家学者前往地震现场调查桥梁的震害情况，累积了大量桥梁地震破坏的历史资料。早期桥梁震害基本可以归纳为：上部结构的坠毁、支撑连接部位的破坏、下部结构的破坏。后来逐渐认识到桥梁设计方法和细部构造方面的缺陷，对桥梁震害的认识随着现场震害资料的深入调查，和对地震中已经发生破坏的桥梁失效及破坏进行系统地分类，研究桥梁抗震设计细节和抗震加固措施。四川汶川8.0级特大地震后，震区桥梁倒塌损毁严重，现场调查情况归纳如下①强士中.桥梁事故之 “5.12”汶川特大地震桥梁震害专题报告.2008.[5]：

（1）桥台台背填土不密实，地震作用导致桥台转动、挤压变形，桥头搭接变位、护坡开裂和沉陷等。

（2）主梁与桥墩连接薄弱，梁体横向和纵向位移导致支座、挡块破坏，防落长度不足造成落梁破坏。

图14 桥梁护坡开裂、沉陷Fig.14 Cracking and Yielding of Bridge Slope Protection

图15 百花大桥挡块破坏，庙子坪大桥主桥挡块破坏、缓冲垫脱落Fig.15 Damaged Stop Dog of Baihua Bridge,Damaged Stop Dog and Cushion Falling-off of Miaoziping Bridge

图16 百花大桥落梁和庙子坪大桥引桥落梁Fig.16 Girder Falling of Baihua Bridge and Approach Bridge of Miaoziping Bridge

(3)斜腿刚构桥和刚架拱桥节点处开裂及斜腿折断、伸缩缝破坏。

(4)桥墩挠曲强度和韧性不足，产生脆性破坏，接头等细节设计不足，系梁、盖梁破坏。

(5)桥址砂土液化，极易导致了桥墩倾斜、桩基础损坏。

图17 小鱼洞大桥斜腿折断、绵竹鹿角堰桥伸缩缝破坏Fig.17 Broken Slant Leg of Xiaoyudong Bridge,Damaged Expansion Joint of Mianzhu Lujiaoyan Bridge

图18 百花大桥桥墩剪切破坏、系梁节点 “强柱弱梁”Fig.18 Shear Failure of Pier of Baihua Bridge and Strong Column and Weak Beam of Tie Beam

图19 大桥桥址处砂土液化Fig.19 Sand Liquefaction at the Bridge Site

造成桥梁严重破坏的原因很多，2008年以前设计公路桥梁参照的 《公路工程抗震设计规范》（JTJ004－89）于1989正式发行，该规范无地震效应组合和抗震设计细节的具体规定，如主筋搭接，箍筋配置及防落梁措施等，也未纳入近年来地震工程学新理论见解和世界各地强震震害经验。设计时抗震设防烈度偏低（设计7度，实际地震烈度达11度），所以造成了如此严重的破坏。

2 地震易损性分析

2.1 资料收集

本次广东省桥梁地震易损性分析的资料是在研究广东水系分布和各市交通图件的基础上，结合已有的部分大桥属性资料和图纸，通过现场调查进一步补充得到。资料收集的范围主要集中在珠三角区域，其中广州市区、广州番禺区、佛山市、中山市、东莞市、珠海市等地桥梁样本较为集中，粤东、粤西、粤北较少。

依据广东省工程场地分区图提供的不同区域的场地类别[7]，如图20所示，结合桥位图，判断桥梁所处的工程场地类别。

图20 广东省工程场地分区图Fig.20 Zoning Map of Bridge Sites in Guangdong Province

2.2 分析对象

广东省桥梁种类数量繁多，按结构类型分有简支梁桥、连续梁桥、拱桥（上、中、下承式）、T形刚构桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥以及各种组合式桥。首先收集这些桥梁属性资料（包括基础图件、简单属性），以各地级市为单位，现场着重调研了各市大跨度跨江桥梁和各市区重要桥梁，共计228座。以所收集的228座大型桥梁为分析对象，其中选出梁桥、拱桥、刚架桥、悬臂梁桥等共202座为群体易损性分析；参考四川汶川地震桥梁破坏资料，结合东莞市、中山市震害预测结果，选取部分做单体易损性分析；其余大型、特大型桥，如悬索桥、斜拉桥等做初步震害评估，不做详细计算。

2.3 分析方法

在总结研究汶川地震桥梁病害与震害的关系之后，分析整个区域公路桥梁易损性时，将上述计算所得的震害指数作为一次判别，然后结合被预测对象的现场宏观调查及设计施工资料查阅，按震害经验进行二、三次判别，得出最终的易损性指数。

一次判别：提取九个影响桥梁震害的主要因素[7]（地震烈度、场地土类别、地基失效程度、上部结构形式、支座形式、墩台高度、墩台材料、基础形式和桥梁长度），依据每个因素的具体情况选取响应参考值连乘，并赋加权系数值予以修正。预测基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏的取值分别为：A≤1.23、1.23

二次判别：建议对已加固桥梁减少震害指数0.5～1.0，对墩柱截面过小，基础埋深较浅增加0.25，对特别重要桥梁可保守地增加0.25处理，对于预测对象资料收集不齐而估算的可增加0.25～0.5以上修正值仅供参考。

三次判别，通过建设年代划分，主要是源于设计规范的考虑。对于依据89规范建设桥梁，建议修正震害指数0.25～0.5。通过桥梁病害体征划分，对于结构体出现较多裂缝、混凝土保护层脱落导致露筋、严重腐蚀、主要承重构件变形等保守增加0.5～1.0。

2.4 分析结果

经过对该式的多次应用分析发现，该式是对桥梁样本做统计意义上的震害预测，因此群体分析结果宜以桥梁在不同地震烈度下的破坏百分比为判别依据，而不关注每座桥梁的破坏状态。

表1中结果显示，大型、特大型桥梁在地震中表现出较好的抗震性能，Ⅸ度及以下桥梁发生轻微破坏的概率较大，轻微破坏定义为：非承重构件有微破损，承重构件完好或基本完好，震后可照常使用，仅需采取简单维修和加固等措施即可恢复其使用性能。

表1 桥梁群体易损性分析结果Table1 Result of bridge group's vulnerability analysis

3 总结与结论

根据调查资料和分析结果，得出以下结论：

（1）广东省桥梁的易损性研究分析结果显示使用正常，维护好、耐久性好的桥梁具有较好的抗震性能，而出现超载使用、桥梁本身已出现裂缝、局部构件开裂、腐蚀严重，甚至混凝土保护层剥落露筋等现象时，其震害相应较重。通过对所收集桥梁的震害统计和震害预测比较结果显示，已加固桥梁易损性指数明显降低，抗震性能增强，而建设年代久远、本身有病害的桥梁震害相对严重。

地震烈度Ⅶ度时整体抗震水平较高，超过Ⅷ度时，发生中等破坏和严重破坏的概率约为30%和10%，对比四川汶川地震中陇南公路总段的桥梁位于5.12地震Ⅷ度、Ⅸ度区，调查结果显示发生中等破坏和严重破坏的百分比分别为49%和15%，结果具有较好的一致性。

（2）完善我省桥梁设计理念和抗震措施，可从以下方面考虑：

①改进设计规范和相关规程。桥梁荷载设计水平偏低。我国的设计规范未考虑桥梁结构在建成后的长期运营中，由于生产和生活水平的发展与提高所带来的可能需要。由于我国规范规定的车辆荷载安全系数为1.40，低于美国的1.75和英国的1.73。另一方面，在估计桥梁构件本身的承载能力时，我国规范规定的材料设计强度又定得较高。且新建的特大型桥梁仍为个案设计科研成果，没有上升到规范或标准的高度。除了设计，管理、养护无规程管理。

②合理选择结构体系。桥梁结构体系选择除了考虑安全、适用、环保、美观等因素之外，更需要考虑经济和所需交通承受能力等问题，经济的桥型应该是造价和使用年限内养护费用综合最省的桥型。结构体系的合理选择是桥梁抗震能力的重要影响因素之一。

③严格把关施工质量。施工质量的优劣，直接影响到桥梁的整体性能。材料关：在施工中应使用规范的混凝土、钢筋、预应力钢筋和砂石等材料；技术关：对各工种、施工方法和施工质量控制严格把关。在施工过程中遇到非预见性灾害，应特殊处理以保证桥梁的承载能力。

④建立合理的桥梁管理养护体制。大型桥梁应根据其结构类型、健康状况、交通位置等因素，定期做质量检测，掌握即时的结构现状信息，通过动态震害预测判断桥梁的抗震概率水平，以便采取必要的维修或者加固措施。大桥养护应有明确的责任机制和相关法律规章制度加以约束，避免出现运营后无人问津，出事后推诿责任的不良局面，为公众安全出行营造良好环境。

⑤ 建设大型和特大型桥梁强震动监测和警报系统。基于强震观测的桥梁健康监测系统能够在平时对桥梁健康状况进行监测，通过早期桥梁病害的发现维护大大节约桥梁的维修费用，避免最终频繁大修关闭交通所引起的重大损失，为桥梁维护与管理决策提供依据。在地震发生后能迅速做出桥梁损伤评估，及时为抗震救灾工作提供依据。

⑥ 采取相应抗震加固措施[6]。补强薄弱部位。针对桥梁易出现病害部位的补强方法包括：喷射混凝土、粘贴钢板、增大梁或拱截面，采用高等强度混凝土等材料封填裂缝，增设钢筋或粘贴附加构件处理结构缺陷，用钢筋混凝土套箍、施加外部预应力加固墩身，通过扩大基础法处理基础问题。

增加辅助构件。当桥梁出现破损或承载力明显不足时，可通过增设新的受力构件：梁桥的主梁、横隔梁、简支梁连系措施，增加下部支撑，这类加固措施工程量较大，尤其改变局部主体结构的时侯需有足够可靠措施。

改变结构体系。为改善结构薄弱受力状态，可通过桥型转换，跨数转换，连接点转换，降低桥梁上部结构恒载等手段提高整体桥梁的承载力。

[1]宋神友，左智飞.广东公路桥梁 (混凝土结构)典型病害现状成因分析及加固整治 (一)[J].广东公路交通.2009， 106(1)： 58～62.

[2]宋神友，左智飞.广东公路桥梁 (混凝土结构)典型病害现状成因分析及加固整治 (二)[J].广东公路交通.2009， 106(2)： 40～45.

[3]杜鹏，姜慧，王东升.陇南公路总段桥梁震害及易损性分析 [J].地震工程与工程振动，2010，4(3)：103～108.

[4]王东升，郭迅，孙治国，等.汶川大地震公路桥梁震害初步调查 [J].地震工程与工程振动，2009，29（3）： 93～94.

[5]姜慧，黄剑涛，卢邦华，等.基于地震作用和场地影响确定广东省设计地震动参数 [J].震灾防御技术，2010， 4(5)： 403～404.

[6]朱美珍.公路桥梁震害预测的实用方法 [J].同济大学学报，1994，22(3)：280-282.

[7]中华人民共和国国家标准.生命线工程地震破坏等级划分（GB/T24336-2009）[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8]蒙云，卢波.桥梁加固与改造[M].北京：人民交通出版社，2005.

[9]重庆交通科研设计院.JTG/T B02-01-2008.公路桥梁抗震设计细则 [S].北京：人民交通出版社，2008.

[10]冯启民.GB/T19428-2003.地震灾害预测及其信息管理系统技术规范 [S].北京：中国标准出版社，2003.

Abstract：The Paper firstly fixes the locaitons of the large and mega bridges based on the river system in Guangdong,then site surveys were conducted accordingly to learn about the basic attributes and existing use conditions of these bridges.Then the Paper analyzes the characteristicsof seismic damage to the bridges and the group seismic vulnerability of the surveyed bridges with reference to the seismic damage data of the Wenchuan Earthquake,and finally summarizes the major causes for the damage and put forward some opinions on perfecting the bridge design concept and seismic countermeasures.

Keywords:bridge； disease； seismic； vulnerability analysis.

Sample Survey and Seismic Vulnerability Evaluation of Bridges in Guangdong Province

Du peng1，2，3， Jiang hui1，2，3， Wang li xin1，2，3， Li xiao hua1，2，3
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province， Guangzhou 510070， China； 2.Key laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology,CEA，Guangzhou 510070， China； 3.Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects， Guangzhou 510070， China）

P315.925

A

1001-8662（2012）02-0037-14

2011-10-17

广东省科技厅项目（20090308)（四川汶川特大地震发震与成灾机理探索及广东省的减灾对策研究）.

杜 鹏，女，1979年生，工程师，主要从事城市生命线系统地震易损性分析研究.E-mail：dupeng4589@126.com.