近断层桥梁直接震害特征分析

于 淼，刘必灯，王 伟

（防灾科技学院，河北三河 065201）



近断层桥梁直接震害特征分析

于 淼，刘必灯，王 伟

（防灾科技学院，河北三河 065201）

摘 要：汶川地震、集集地震和土耳其地震中发震断层10km范围内的梁桥和拱桥破坏严重，本文统计了因直接震害导致损毁或严重破坏的桥梁共51座，其中直接跨越发震断层的10座桥梁中有9座因落梁而丧失通行能力。这些近断层或跨断层桥梁的主要震害表现为全桥垮塌，落梁或主梁严重移位，墩柱压溃、剪断、倾斜，支座滑脱失效，主拱、横撑、拱座开裂等严重破坏。初步分析揭示造成震害的主要原因为断层地表位错、强地震动、碰撞、基础失效、桥台破坏对主梁纵向约束不足、滑动支座对弯扭效应约束不足。

关键词：近断层桥梁；跨断层桥梁；落梁；汶川地震；集集地震；土耳其地震

0 引言

近年来国内外几次大地震中，作为交通系统咽喉的桥梁经历了较严重的破坏。如1999年台湾集集地震震区约有20%的桥梁受到不同程度损坏，严重破坏者达20多座［1］。1999年土耳其地震中也有3座跨断层桥梁受到较严重的损坏［2-3］，其中两座全桥垮塌。2008年汶川地震中震例更多，四川省境内受损的两千多座桥梁中，完全失效者52座，严重破坏者70多座［4］。这些破坏严重的桥梁中很多都位于发震断层两侧甚至跨越发震断层。现阶段的研究表明，对于近断层桥梁抗震设计，主要考虑强地面运动对其引起的振动效应，而对于跨断层桥梁，还需考虑断层位错引发的桥址地表大变形效应，国际通用做法首先是避让断层［5］，然后通过引入近断层调整系数，增大设计地震作用以提高抗震设防标准［6］。但有时桥梁结构跨越断层不可避免，据不完全统计，美国加州地区的桥梁大约有5%跨越断层带［7-8］。如果桥梁必须跨越断层，为减小损失和降低修复难度，现阶段普遍认识是采用短跨低墩简支梁桥方案［5，9］。

基于现阶段对于地震破坏作用及结构抗震理论的认识水平，对受力性能复杂的近断层桥梁而言，计算精度很难把握，国内外经验表明，抗震设计尤其是桥梁抗地震倒塌设计要看重概念设计，概念设计的经验除来自于大量抗震试验外，震害调查是最主要的来源。因此本文对汶川地震、集集地震、土耳其地震中近断层桥梁震害特征进行详细研究，总结近断层桥梁震害特征，并对震损原因进行宏观分析，这将对近断层桥梁抗震设防提供有益经验。

地震中失效或受损的桥梁可分为直接由断层位错或强地面振动引起的直接震害，以及由于强地震引发的山体滑坡、堰塞湖、滚石等次生地质灾害引起的间接震害。本文主要考虑近断层或跨断层桥梁的地面直接振动或永久位移导致的震害。

1 近年来几次强震近断层桥梁震害统计

1.1 汶川地震中近断层桥梁震害统计

2008年5月12日发生在四川汶川的Mw7.9地震震害严重，不仅造成大量人员伤亡和房屋建筑损毁，还导致大量公路桥梁受损。根据桥梁破坏的严重程度，对此次地震中由于直接

据四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院牵头调查的四川省境内受损的两千多座桥梁中，全桥损毁失效的52座桥梁中因直接震害导致的有12座，严重破坏的70座桥梁中距离断层较近且由于直接震害导致的有20多座［4］，这些桥梁的基本情况、桥址与断层的位置关系、主要震害及初步分析的震损原因如表1和表2所示。

表1 汶川地震中直接震害导致全桥损毁的桥梁概况（总结自陈乐生所著《汶川地震公路震害调查》）Tab.1 Outline of collapsed bridges caused by direct damages in Wenchuan earthquake

表2 汶川地震中直接震害导致严重破坏的部分桥梁概况（总结自陈乐生所著《汶川地震公路震害调查》）Tab.2 Outline of severely damaged bridges caused by direct damages in Wenchuan earthquake

续表2

地震中近断层或跨断层桥梁由于经受了强地面运动甚至地表位错的影响，表现出明显的近断层破坏特征。从表1、表2可知，此次地震中受损的桥型主要为以受弯为主的梁式桥和以受压为主的拱式桥，由于受力体系不同，这两类桥梁近断层震害特征截然不同，梁式桥和拱式桥均有全桥垮塌震害；震损严重的梁式桥主要结构震害表现为主梁横纵向移位或落梁，墩柱开裂、压溃、剪断或倾斜移位，上下部结构连接系支座变形滑移或滑脱失效；拱式桥主要结构震害表现为主腹拱裂缝贯通、主拱横撑开裂、拱座开裂或塌陷等。

从表1可知，由直接震害损毁的桥梁距离断层的距离最多不超过6.1km，均属近断层桥梁。距离断层不足2km的有百花大桥、庙子坪岷江特大桥、陈家坝大桥、曲河大桥、湔江河大桥、石蓑衣大桥、都江堰高原大桥；小鱼洞大桥的桥台处在断层带上；映秀顺河桥甚至直接跨越中央主断裂。由表2可知，严重破坏的桥梁位于断层带周围10km以内的占17座、5km以内的占12座，也属近断层桥梁。对这两类近断层桥梁震害特征的深入研究具有典型意义，将对近断层桥梁抗震设防提供有用参考。

1.2 台湾集集地震中近断层桥梁震害统计

1999年9月21日发生在台湾集集的Mw7.6地震中，将近200座桥梁受到不同程度的损坏，其中20多座被列为严重损毁，这些桥梁中90%以上是简支梁桥，大多有防落梁装置［1］，其桥梁基本形式、桥址与发震构造的位置关系、地面运动强度、主要震害及震损原因如表3所示。尽管大多数简支梁都设置了防落梁装置，但被本次地震主发震断裂车笼埔断层直接错断的桥梁均发生落梁。除断层位错外，这些桥梁附近地面运动强度也很大，如石围桥附近台站记录到的加速度峰值达519gal。根据台湾气象局公布的强震资料，车笼埔断层以东15km范围内地面运动加速度峰值均超过230gal，可见该地区近断层地面运动强度很高［1，10］，在如此强烈的地面运动作用下，部分桥梁墩柱剪切破坏、整体歪斜，支座滑移或受损、桥面严重移位，桥台及基础出现滑移。此次地震落梁的桥梁由南向北分别有：桶头桥、名竹大桥、乌溪桥、一江桥、北丰大桥、长庚大桥、石围桥等。因此，此次地震中桥梁严重损毁的原因主要有断层位错引起直接跨越桥梁的落梁、近断层强地面振动引起桥梁横纵向位移超过支座支撑长度而落梁，近断层强地面运动引起墩柱受剪破坏、支座移位、桥台滑移。

1.3 土耳其地震中近断层桥梁震害统计［2-3］

1999年在土耳其西部北 Anatolian断层带（NAF）上发生了两次强震（8月17日7.4 Kocaeli地震和11月12日7.2 Duzce地震），产生了上百千米的地表断裂带，地表位错达数米。连接土耳其首都安卡拉（Ankara）和土耳其最大城市伊斯坦布尔（Istanbul）的欧洲跨洲高速公路（TEM）东段沿线多座桥梁损毁，该段高速公路与发震断层基本平行且平均距离不足3km。震后调查表明，该区域有5座跨越高速公路的桥梁直接被断层地表破裂带穿越而发生不同程度的损坏。

在Kocaeli地震中，Arifiye跨线桥（3号桥）直接跨越TEM公路，由两座桥台和3个板式桥墩支撑起全长100m的预应力混凝土简支梁桥，临近北桥台的桥跨被与主梁呈65°交角的断层直接错断后该跨梁体全部掉落，致使全桥其他3跨一端落地，一端支撑在桥墩上。桥址4km以北坚硬土场地上Sakarya强震台（断层距3km）获取的平行于断层的加速度记录达0.407g，竖直向达0.26g，本桥址跨越断层且地基土为软土，可能经受的地面振动强度也更高。因此该桥失效的原因主要是近断层强地面运动及断层地表错动。Sakarya跨河桥（5号桥）为全长92m的8跨简支梁桥，被钢制桥墩支撑，在此次地震中，北侧桥台被断层直接错断，致使桥梁全部落梁。

表3 台湾集集地震中严重损毁桥梁概况（总结自台湾国家地震工程研究中心所著《921集集大地震桥梁震害调查报告》）Tab.3 Outline of severely damaged bridges in Chi-Chi earthquake

此次地震中，除Sakarya桥外，Arifiye跨线桥周围还有3座与其结构形式和基础类型都相似的跨线桥。1号桥为2跨预应力混凝土简支梁桥，断层地表破裂距离南桥台往西50m，地震时仅仅支座发生5cm的滑移。坐落在1号桥东部400m 的2号桥，以及坐落在Arifiye跨线桥西部400m 的4号桥均为3跨简支梁桥，断层地表破裂从南桥台侧面通过，仅仅发生轻微的支座滑移及桥台损伤，并无大碍。

Bolu 1号高架桥为59跨的简支预应力混凝土U型梁，平均跨度40m，每10跨为一联通过简支变连续的构造措施使桥面变成连续，墩高从10m到49m不等，但普遍超过40m，根据不同场地条件，采用15m～20m的桩基。参照美国国家公路与运输协会标准高速公路桥梁设计指南（AASHTO，Guide Specifications for Seismic Design of Highway Bridges）按照0.4g的加速度标准设计地震作用，但是动力放大系数选择太低（推荐值为3，本桥选用1）。在Duzce地震中，桥址被断层破裂带以20～30°的小角度直接通过，经历了高达2～2.5m的右旋走滑水平位错和超过0.4g的强地面加速度运动，桥梁耗能装置、支座发生损坏，主梁发生较大移位并临近落梁，但受益于简支变连续的桥面、抗剪和抗扭刚度较大的高墩、以及预先设置的减震和防落梁系统（钢屈服耗能装置EDU、缆索限位防落梁系统），该桥主体桥墩未出现严重破坏，也没有落梁。

2 近断层桥梁震害特征

2.1 全桥垮塌或落梁是最严重震害

桥梁工程的最基本的功能是跨越山谷、河流，一旦全桥垮塌或桥跨落梁，将丧失人员和交通的通行能力，这一基本使用功能随之废弃；全桥垮塌或多跨落梁的桥梁很难修复或无修复价值。而近断层桥梁由于经历高水平的地面振动或地表位错，经常会发生这类震害。因此这类震害是近断层桥梁中最严重的震害。

汶川地震中断层附近的小鱼洞大桥、陈家坝大桥、南坝拱桥等多座拱桥，以及映秀顺河桥、百花大桥、庙子坪岷江特大桥、湔江河大桥、石蓑衣大桥、南坝大桥、高原大桥等多座梁桥全桥垮塌或落梁，丧失通行能力，曲河大桥、笼子口2号桥等拱桥由于拱肋开裂严重也临近垮塌。具体震害照片如图1所示。

台湾集集地震中断层附近的石围桥、长庚大桥、北丰桥、一江桥、乌溪桥、名竹大桥、龙门大桥、桶头桥等多座梁桥落梁，丧失通行能力。其中北丰桥、一江桥、乌溪桥、名竹大桥、桶头桥是由于断层直接通过错断地表导致的落梁。具体震害照片如图2所示。

土耳其Kocaeli地震中，断层地表位错直接错断Arifiye跨线桥和Sakarya跨河桥，使其全跨落梁，丧失通行能力。具体震害照片如图3、4所示。

2.2 主梁纵横向移位及拱肋开裂是最常见震害

近断层桥梁由于经历高水平的地面振动或地表位错，而梁式桥墩台与梁体通过桥梁支座进行弱连接，较大的基础运动发生时，支座以上的上部结构往往会出现较大的相对初始位置的位移，增大落梁风险。当然，由于地震作用方向的偶然性，以及梁体运动的不确定性，纵向移位和横向移位都有可能发生。因此这类震害是近断层桥梁中仅次于落梁的最常见震害。相对而言，受制于盖梁纵向宽度的有限性，纵向落梁更容易发生。汶川地震中湔江河大桥部分落梁，未落梁桥段都有不同程度的纵向或横向移位，主梁撞击摩擦支座挡块也常有发生，相类似的情况也出现在映秀岷江大桥、寿江大桥、庙子坪特大桥和百花大桥上，具体震例见图5。土耳其Duzce地震中，Bolu 1号高架桥被断层破裂带直接通过，主梁发生了较大的纵向移位，见图6。但受益于整体性好的桥面，抗剪和抗扭刚度较大的桥墩，以及预先设置的耗能装置和防落梁系统，桥梁得以保全。

除了断层位错引起的大变形，以及弯扭耦合效应明显的弯桥，采用梁柱通过滑动支座弱连接、结合桥面简支变连续的受力体系依然为强震区桥梁设计的成功经验。这种受力体系使桥梁受地震破坏按照支座、防落梁装置再到墩柱的顺序发展，得以最大限度的保全墩柱；且简支变连续的桥面可以最大限度的减少横向落梁的发生。

以受压为主的拱肋是拱桥的主要受力构件，一旦开裂拱压力传递的有效性将会被打破，危害巨大，且修复困难，因此拱肋开裂是拱桥垮塌前最重要的信号。汶川地震中曲河大桥和笼子口2号桥、安州大桥、金谷垭3号桥、铜子梁桥、纸房坝桥、母猪桥、白草大桥、高庄团结桥均为此类震害。

2.3 墩柱破坏潜在后果严重

梁式桥采用墩梁弱连接体系，主要目的是通过牺牲梁体的移位和损坏支座及抗震挡块来保全桥墩。这是因为桥墩除要在震时提供水平抗震承载力以抵御水平地震作用外，还需在震时及非震时提供竖向承载力以抵抗桥梁恒载和活载。因此桥墩一旦损坏，将直接失去竖向承载力，桥梁全毁不可避免。为提高大部分桥墩地震时抵抗竖向荷载的有效性，往往设置一些刚度大的制动墩以专门抵抗水平地震作用，这类似于建筑工程中为提高框架结构整体抗震性能，在框架结构中设置主要承受水平地震作用的剪力墙，以保全框架柱承受竖向荷载能力的受力体系。在强烈地面运动下，桥墩将有可能出现不可修复的墩顶或墩底塑性铰，危及全桥安全，这是近断层桥梁危害最大的震害。汶川地震中湔江河大桥、百花大桥、石蓑衣大桥、汉旺绝缘桥均出现了这类震害，集集地震中乌溪桥、炎峰桥等也出现了类似破坏，如图7所示。

3 近断层桥梁震损原因浅析

综合汶川地震、集集地震、土耳其地震的经验，近断层桥梁发生诸如落梁、主梁严重移位、支座滑脱、墩柱塑性铰等严重震害的主因是选址不当和桥梁设计地震动参数取值过低，即由于现阶段地震动预测水平低或出于经济性考虑，使桥梁选址科学性考虑不周，且现有规范给出的桥址设防地震动偏低，即使桥梁按照规范正确设计，也极有可能因经受超罕遇（超设防）地震而破坏；而桥梁结构设计不合理是近断层桥梁震损的次因。

3.1 强地震动和地表大变形是近断层桥梁震损的主因

汶川地震、集集地震、土耳其地震中落梁的主要桥梁大多是由于地震断层引起的地表破裂直接通过桥跨或桥台，致使桥跨无法抵御桥基大变形，譬如汶川地震中的小鱼洞大桥、映秀顺河桥，集集地震中的北丰桥、一江桥、乌溪桥、名竹大桥、桶头桥，土耳其地震中的Arifiye跨线桥、Sakarya跨河桥。而其他落梁桥梁的桥基尽管无大的永久变形，但大多经历了超强的地面运动，如汶川地震中的湔江河大桥、石蓑衣大桥、百花大桥、庙子坪特大桥至少经历了超过 0.5g加速度的地面运动［11，12］；集集地震中的龙门大桥、长庚大桥、石围桥也至少经历了超过0.5g加速度的地面运动。其他主梁横移或纵移严重的桥梁也大多经受了极强的地面运动。

3.2 设计失当是近断层桥梁震损的次因

除了强地震动和强地面变形，一般桥梁严重震损大都与结构受力体系不当、构造措施不当、结构布置不合理、施工质量差有关，每座桥梁都有其特殊性，很难统一归类，综合汶川地震、集集地震、土耳其地震近断层桥梁震害经验，提出以下两条主要设计不合理的问题。

（1）桥台在强地面形变作用下或受主梁撞击作用而发生桥台混凝土结构部分破坏，失去了对主梁的约束作用，导致桥梁纵向移位累积，最终使盖梁纵向支撑长度不够导致纵向落梁。地震震例中近乎所有的纵向落梁现象都出现了桥台破坏现象证明了这一点，如图8所示。故在强地震区应该加强桥台的抗震构造措施，以保证强地震动作用时桥台最后破坏，从而保护桥台对纵向位移的约束作用，防止落梁。而汶川地震和集集地震中落梁桥段的桥台设计均没有考虑这一影响。

（2）弯桥采用了墩梁弱连接的结构体系，致使滑动支座对主梁弯扭运动约束不足，从而发生弯桥整体倒塌，这是汶川地震百花大桥弯梁段整体垮塌的主因。尽管采用约束主梁的固定支座体系或刚构体系会加大桥墩的负担，但至少可以减少落梁的风险，而弯梁一旦落梁可能会对桥墩形成撞击，使本来没有损伤的桥墩也很难保全。故由于地震作用大小和方向都很难确定，且弯桥地震响应也很复杂，汶川地震中的百花大桥采用非整体协同工作的墩梁体系非明智之选。

4 结论

通过对汶川地震、集集地震和土耳其地震中近断层桥梁震害的统计，全桥失效及严重破坏桥梁主要为梁桥和拱桥，且基本都位于断层带10km范围内，有些甚至不超过2km或直接跨越断层。因直接震害导致损毁或严重破坏的桥梁达51座，其中直接跨越发震断层的10座桥梁中，除土耳其地震中的Bolu 1号高架桥外，汶川地震中的映秀顺河桥、小鱼洞大桥，集集地震中的北丰桥、一江桥、乌溪桥、名竹大桥、桶头桥，土耳其地震中的Arifiye跨线桥、Sakarya跨河桥等9座桥梁均因落梁而丧失通行能力。这些近断层桥梁典型震害特征表现为：全桥垮塌；主梁横纵向严重移位或落梁；墩柱开裂、压溃、剪断或倾斜移位；支座变形滑移或滑脱失效；主腹拱裂缝贯通、主拱横撑严重开裂、拱座开裂或塌陷。

通过分析发现，产生这些近断层桥梁严重震害的原因大致归为以下几类：跨越断层时地表位错引起的大变形效应；强地面运动引起的振动效应；桥台结构因强度不足被破坏后失去了对主梁的纵向约束使纵向位移累积；主梁位移不协调引起碰撞；振动引起基础失效而导致墩柱倾斜；弯桥采用了墩梁弱连接的结构体系使滑动支座对主梁弯扭耦合振动效应约束不足。

致谢：感谢防灾科技学院郭迅教授和西南科技大学孟庆利教授提供的第一手震害照片；感谢《汶川地震公路震害调查》编委西南交通大学赵灿辉教授提供了该著作的电子版照片，使文中部分桥梁震害照片更具代表性；感谢台湾国家地震工程研究中心提供921集集地震调查报告的免费下载。文中关于桥台破坏对主梁纵向位移约束不足甚至导致纵向落梁的观点是和郭迅教授讨论后得到的。

参考文献

［1］ 921大地震勘灾调查小组.921集集大地震桥梁震害调查报告［R］.台湾：国家地震工程研究中心，1999.

［2］ Mustafa Erdik.Report on 1999 Kocaeli and Duzce （Turkey）earthquakes［R］.Bogazici University，Dept.of Earthquake Engineering，1999.

［3］ Kazuhiko Kawashima.Damage of bridges resulting from fault rupture in the 1999 Kocaeli and Duzce，Turkey earthquakes and the 1999 Chichi，Taiwan earthquake［J］.Structural Engineering/earthquake Engineering，2002，19（2）：171-190.

［4］ 陈乐生.汶川地震公路震害调查（桥梁）［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］ JTJ/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.

［6］ UBC1997 Uniform Building Code［S］.International Conference of Building Officials，1997.

［7］ Goel，R K，and Chopra，A K.Analysis of ordinary bridges crossing fault-rupture zones（Rep.No. UCB/EERC—2008/01）［R］.Earthquake Engineering Research Center，Univ.of California，Berkeley，Calif，2008.

［8］ Goel，R K，and Chopra，A K.Role of shear keys in seismic behavior of bridges crossing fault-rupture zones［J］.J.Bridge Eng.，2008，13（4）：398-408.

［9］ GBJ50011—2006铁路工程抗震设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2006.

［10］ 921大地震勘灾调查小组.强地动振动调查报告［R］.台湾：国家地震工程研究中心，1999.

［11］ Yu Tian，Cui Jianwen，Li Xiaojun，Yang Liwei. AnalysisofGroundMotionAttenuation Characterization for Moderate Earthquakes in the Sichuan-Yunnan Region［J］.Earthquake Research in China.2015，29（2）：237-246.

［12］ 喻畑，崔建文，李小军，杨黎薇.川滇地区中小震地震动衰减特征分析［J］.中国地震，2014，30 （3）：409-418.

中图分类号：P315.9

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）02-0041-13

收稿日期：2016-04-07

基金项目：国家自然科学基金（51208107，51308118）；中央高校基本科研业务费专项资金（ZY20120103）

作者简介：于淼（1987—），女，助教，本科，主要从事土木工程防灾研究。

通信作者：刘必灯（1983—），男，讲师，博士，主要从事桥梁抗震研究。震害受损的两类桥梁进行详细统计，一类是上部梁体已全部或部分垮塌、墩柱剪断或压溃，全桥承载能力损失殆尽且完全丧失通行能力的损毁桥梁；另一类是上部梁体严重移位、主拱裂缝贯通、墩柱及拱座开裂严重，全桥承载能力损失严重，震后需进行抗震加固才能继续使用的严重破坏桥梁。

Damage Characteristics of Near-fault Bridges

Yu Miao，Liu Bideng，Wang Wei
（Institute of Disaster Prevention，Sanhe，Hebei 065201，China）

Abstract：Most girder and arch bridges near fault in 10km were damaged in Wenchuan，Chichi and Turkey earthquakes.A statistical analysis of 51 bridges which were severely damaged and even collapsed caused by direct damages is described in this paper.The main damages include collapse，girder displacement or falling，pier inclination or crushing，or failure by shear force，bearing moved out，arch ribs and abutment cracking.Preliminary damage mechanisms are fault dislocation，strong ground motion，pounding effect，foundation failure，insufficient constraint of damage abutment for girder displacement，insufficient constraint of the sliding bearings for curved bridge.

Keywords：near-fault bridge；across-fault bridge；girder falling；fault dislocation；Wenchuan earthquake；Chichi earthquake；Turkey earthquake