基于倾斜摄影的野马滩大桥震害位移评价

张昊宇，黄 勇，汪云龙，管仲国，绽蓓蕾，蔡丽雯

（1.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨150080；2.地震灾害防治应急管理部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080；3.同济大学土木工程学院，上海 200092；4.青海省地震局，青海西宁 810001）

引言

桥梁震害往往给人员生命财产造成较大损失，特别是影响应急救援和恢复重建工作。科学地调查桥梁的震害信息，为模拟分析、总结抗震经验提供基础数据就成为一项重要的基础工作。汶川地震后，四川省交通厅组织开展了系统的桥梁震害调查，采用逐桥进行外观检查，记录震害基本情况和分布，再通过桥检车等相关仪器设备对裂缝、支座位移变形、主梁位移和桥墩位移等进行测量，最终形成震害调查报告，为应急处置和恢复重建提供了重要的基础数据［1］。然而限于自然条件，许多桥梁所处地址位置往往为沟壑山涧或是湖泊河流，传统测量方法进行系统的位移测量和震害调查困难较大，同时现场震害全貌也难以通过拍照进行完整全面的保留。无人机倾斜摄影测量技术（UAV）近年来快速发展，在智慧城市、灾害调查中发挥了独特优势［2-3］。其灵活自由高效的信息提取优势恰好能弥补传统桥梁震害调查的局限，更全面地获取桥梁震害信息［4］。

2021年5月22日，青海省果洛自治州玛多县（北纬34.59°，东经98.34°）发生Ms7.4级地震，震源深度17 km［5］。此次地震中共玉高速段的野马滩1号、2号大桥出现大面积落梁的严重震害，是本次地震最典型的工程震害之一。震后笔者参加了震区典型工程震害的科学考察，着重对这2座大桥进行调查［6］。

文中介绍了采用无人机倾斜摄影三维建模技术构建了2座大桥的三维模型，并基于该模型对2座大桥的主梁轴向、侧向位移，以及桥墩距离进行了测量估计及分析。一方面将震害现场进行全息保留，整理给出系统的桥梁震害位移，为大桥的震害经验总结、地震模拟分析提供参考；同时也对无人机倾斜摄影技术在桥梁震害调查中的应用进行尝试探索。

1 野马滩大桥及其震害概况

野马滩1号、2号大桥位于共玉高速玛多黄河大桥至巴彦喀拉山段，所处地区平均海拔约4 200 m，均为双向分离（含上行线、下行线）简支桥面连续空心板桥，跨度20 m，桥面宽度约9 m，下部结构为双柱墩，1号大桥全长507.4 m，上下行各25跨；2号大桥位于1号大桥以南约1.5 km处，全长约887 m，上行（玉树至共和）45跨，下行（共和至玉树）44跨。应急管理部、中国地震局2021年5月28日发布的烈度图［7］（图1）显示，此次地震宏观震中烈度为Ⅹ度，野马滩1号桥位于宏观震中Ⅹ度区，2号桥位于Ⅸ度区。预估的地震破裂带距邻近2座大桥，位于野马滩1号桥北侧。根据大桥上行线施工图，典型跨尺寸如图2所示。震后野马滩1号桥70%主梁落梁（图3（a）），野马滩2号桥上行6跨主梁落梁，下行线桥梁明显移位但无落梁（图3（b））。

图1 玛多7.4级地震烈度图［3］及野马滩1号、2号大桥位置关系Fig.1 Intensity distribution of the earthquake［3］&the location of the bridges

图2 野马滩1号、2号大桥典型跨示意图Fig.2 Sketch of Yematan No.1&No.2 bridges（unit：cm）

图3 野马滩1号、2号大桥总体震害Fig.3 Aerial view of the bridges

2 航拍及倾斜摄影建模

2.1 航拍概况

使用大疆Mavic2 pro进行航拍。由于拍摄区域水面较多，不利于建模解算，且桥梁侧面及墩柱为建模重点，故航拍采用正摄航线规划，其他方向手动控制拍照的方法：除了正摄和4个斜45°方向外，还对破坏较重的野马滩1号上下行线桥和野马滩2号上行线桥进行了近距离平视侧面拍照，对野马滩2号上行线的2个典型桥跨进行了近距离环绕拍照（图4，图5）。采集到的有效照片数量为野马滩1号大桥1 966张，野马滩2号大桥1 859张。照片总体信息如表1所示。

表1 航拍照片数量Table 1 Aerial photo number

图4 野马滩1号大桥航拍分布Fig.4 Aerial photo position for Yematan No.1 bridge

图5 野马滩2号大桥航拍分布Fig.5 Aerial photo position for Yematan No.2 bridge

2.2 倾斜摄影建模

使用大疆智图（DJI Terra）［8］建模：选取三维模型功能，根据软件提示，将照片导入后点击“开始重建”按钮，即可为自动完成建模。为避免不同位置、高度的照片定位误差导致的模型重影错误，采用以下步骤修正：（1）对不同位置和角度的照片按序列分别建模；（2）以正摄建模为准，测量不同模型同一位置的坐标偏差；（3）修改对应序列照片的定位坐标，再整体建模。由此生成的模型质量较好，图6、图7为在Context Capture Viewer浏览器中打开的大桥模型。

图6 野马滩1号桥震害模型Fig.6 3D damage model of No.1 Yematan bridge

图7 野马滩2号桥震害模型Fig.7 3D damage model of No.2 Yematan bridge

受限于设备及场地条件，模型还存在以下不足：（1）缺乏相控点，模型的定位和尺寸精度缺少参考［9］；（2）拍摄角度所限，除野马滩2号上行线的30号墩、35号墩附近外，其余桥梁底部较为粗糙（如图6（b））；（3）由于未出现落梁，野马滩2号下行线并未近距离拍照，西侧桥墩较粗糙（图8（a））；（4）由于不同序列照片的定位误差，野马滩1号上行线个别桥墩有轻微重叠（图8（b））。这些不足给模型的震害信息提取和分析带来一些不便。为了评价测量结果的误差，文中采用统计方法分析了量测结果。

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

3 桥梁典型尺寸和震害位移量测

如图9所示，借助3D模型浏览器Context Capture Viewer，可量测两座大桥的盖梁宽度、桥墩间距和纵横桥向位移等信息。

图9 关键尺寸量测Fig.9 Size measurement

3.1 桥梁跨度及桥墩宽度

如图10，对每个桥墩和桥跨，在两侧（东、西）分别测量盖梁宽度b，及相邻桥墩盖梁的距离L1，L2。以0.5（L1+L2）作为该侧桥梁跨度的估计值。由此得到2座大桥的尺寸如表2、表3所示。

表3 野马滩2号桥桥梁跨度及桥墩宽度测量值Table 3 Bent cap width&span of Yematan No.2 bridge cm

图10 盖梁宽度及墩距量测Fig.10 Bent cap width&span measurement

表2 野马滩1号桥桥梁跨度及盖梁宽度测量值Table 2 Bent cap width&span of Yematan No.1 bridge cm

对表2、表3数据进行统计分析，结果如图11。假定测量值符合正态分布，则盖梁宽度观测值的变异系数为1号桥0.65%，2号桥0.77%；具有95%保证率的盖梁宽度范围为：1号桥167.2～171.6 cm；2号桥167.4～172.4 cm。跨度差值（即跨度量测值与设计值间的差值）变异系数为1号桥上行线0.14%，2号桥上行线0.13%；具有95%保证率的跨度偏差范围为：1号桥上行线-4.5～6.5 cm，2号桥上行线-4.0～5.0 cm。

图11 盖梁宽度及桥梁跨度统计Fig.11 Statistical analysis of bent cap width&span

可见，盖梁宽度和桥跨度的量测值基本符合设计尺寸。这一方面验证了大桥三维模型的尺寸和位移具有一定的精度，也表明多数桥墩大概率未出现明显倾斜位移。

相比之下，跨度差值的均值偏差（1 cm左右）和标准差（2.8 cm左右）均大于盖梁宽度的统计结果（均值偏差≤0.4 cm，标准差1.2 cm左右）。这主要源于个别桥墩可能出现受震侧移，使跨度观测值偏离设计值。

3.2 主梁位移估计

由于缺少参照点（如桥梁中线），震害位移无法直接量测。基于前述分析，大部分桥墩未出现明显侧移，因此如图12所示，首先量测每个桥墩处的典型尺寸（dm、we、b），对应位置大桥的纵向位移dl采用式（1）估算，之后按照式（2），以东西两侧纵向位移平均值dˉl表征主梁在该桥墩处的纵向位移。除野马滩2号桥下行线外，均采用式（3），以主梁与盖梁外侧的距离之差估算桥梁的横向位移。对于野马滩2号桥下行线，由于模型的桥梁西侧较为粗糙，相应位移难以准确量测，因此桥梁纵向位移dt以东侧量测值为准；桥梁横向位移dc采用式（4）计算。

图12 大桥位移量测及推算示意图Fig.12 Seismic displacement measurement

式中：dl为主梁在某一方向（东E或西W）沿桥梁纵向的位移；dm为主梁端部距盖梁侧面的距离；we为伸缩缝宽；b为盖梁宽度；dl为主梁的平均纵向移位。dt为主梁在横桥向的位移；dte为主梁东侧面距未破坏的盖梁东侧外边缘的距离；dtw为主梁西侧面距未破坏的盖梁西侧外边缘的距离；dte0为主梁东侧面距盖梁东侧外边缘的设计距离，参考二号桥上行线施工图（图1），取为35 cm。

按上述方法对所有桥墩的位移进行量测估算，结果如表4、表5所示。

根据表4、表5，未落梁时选取2个桥墩处横向及纵向位移平均值作为该跨主梁的位移；落梁时选取未脱落一侧桥墩处的量测值作为该跨主梁位移。由此可得表6、表7及图13、图14主梁震害位移分布。

图13 （续）Fig.13（Continued）

图13 野马滩1、2号桥主梁位移Fig.13 Seismic drift of the beams of Yematan No.1&No.2 bridge（unit：cm）

表4 野马滩1号桥震害位移Table 4 Seismic displacement of Yematan No.1 bridge cm

表5 野马滩2号桥震害位移Table 5 Seismic displacement of Yematan No.2 bridge cm

表6 野马滩1号桥主梁震害位移Table 6 Seismic drift of the beams of Yematan No.1 bridge cm

表7 野马滩2号桥主梁震害位移Table 7 Seismic drift of the beams of Yematan No.2 bridge cm

由图13可知，大桥的震害位移呈现如下规律：

（1）所有桥梁的纵向位移均为北向，呈现了显著的地震动近场大脉冲效应［10-14］。野马滩1号桥的纵向位移（均值上行86 cm，下行72 cm）明显大于2号桥（均值上行49 cm，下行33 cm），这与1号桥离断裂带更近相一致。1号桥和2号桥的纵向位移变化趋势有所不同：1号桥总体沿均值上下波动，而2号桥由北至南位移不断增大。推测原因为：1号桥主梁共计35跨落梁，占比70%，主梁的纵向移动受到的限制相对较小；2号桥上行段7跨主梁脱落，其他均未落梁，大多数主梁纵向位移受到相邻跨主梁的约束。在纵向地震动脉冲作用下，北侧桥台约束了第一跨主梁的纵向位移，同时伸缩缝逐一被压缩，由北至南累积，造成了远离断裂带一侧的纵向位移越来越大。7个落梁桥跨均位于远离断裂带的桥台附近，可能与之相关。脱落的主梁，纵向位移总体较大，但也有部分未脱落的主梁，纵向位移大于落梁桥跨，原因可能为：1）主梁向北滑移，从一侧桥墩脱开后向下塌落，主梁在重力作用下可能向南滑落，使残余侧移有所减小；2）部分主梁虽未脱落，实际介于倒塌边缘，残余侧移也较大。

（2）桥梁的横向位移呈现一定的随机性：1号桥上、下行线的平均位移均为西向，但少数主梁残余侧移为东向；2号桥的横向位移平均值则均为东向，也有部分主梁保留了西向的侧移。无论主梁的残余侧移为哪个方向，盖梁两侧的挡块绝大多数均出现了严重破坏（如图6，图7），说明大桥在东西向经历了显著的往复运动。1号桥的横向位移波动范围显著大于2号桥，这与1号桥更接近断裂带相一致。

（3）两座大桥上下行线的纵横向残余位移曲线均保留着波动趋势，可能与地震动的行波效应有关［15-17］。

3.3 桥墩位移估计

表2、表3给出了桥梁跨度（即盖梁间距）量测值。基于这些数据，我们尝试对桥墩位移进行估计。3.1节桥墩间距的统计结果显示，绝大多数桥墩间距接近20 m，且大部分桥墩发生位移的可能性不大。因此采用式（5）对桥墩是否可能出现震损位移进行估计。

式中：la为桥墩一侧的墩距量测值；lb为该墩另一侧墩距量测值；Δl为桥墩左右两跨间距差值绝对值。

由于桥墩间距差Δl受桥墩两侧间距的共同影响，因此并非与该桥墩位移具有严格对应关系。但间距差较大的桥墩，出现震损位移的可能性相对较大，可用于指导进一步的调查和测量。

使用式（5）对2座大桥中间区段的桥墩逐一计算，可得表8、表9及图14所示结果。

基于表8、表9及图14结果，认为可能出现倾斜移位，需进一步重点关注的桥墩包括：1号桥上行线16号墩、20号墩；1号桥下行线14号墩、17号墩、20号墩；2号桥上行线30号墩、35号墩；2号桥下行线14号墩、37号墩。

图14 桥墩间距差ΔlFig.14 Piers distance differenceΔl（unit：cm）

表8 野马滩1号桥桥墩间距差ΔlTable 8 Pier distance of Yematan No.1 bridge cm

表9 野马滩2号桥桥墩间距差ΔlTable 9 Pier distance of Yematan No.2 bridge cm

对照生成的桥梁三维模型，2号桥上行线的30、35号墩确实出现了肉眼可见的倾斜（图7（b）、7（c）），落梁碰撞可能为其倾斜原因之一。1号桥下行线的17号墩，东侧墩柱出现了疑似剪切失效的严重破坏（图15），西侧墩柱则未见明显倾斜和损坏。墩柱的损坏很可能与该区域发现的大面积砂土液化相关［6，10，18-20］，具体有待进一步研究。

图15 野马滩1号桥下行线17号墩柱震损Fig.15 Damage of No.17 pier column

4 结语

针对公路桥梁震害调查中，震害位移难于系统测量、震害信息难以完整保留的问题，以遭遇青海玛多7.4级地震的野马滩1号、2号大桥为例，基于无人机倾斜摄影测量技术，构建了2座大桥的精细震害三维模型，量测评估了大桥的震害位移。

基于震害三维模型对大桥盖梁宽度、桥梁跨度逐一量测，对量测结果进行统计分析，并与2座大桥上行线施工图对比，结果表明模型尺寸基本符合施工图，具备一定精度。多数桥墩未出现明显震害位移或倾斜。

通过量测三维模型的关键尺寸，基于桥梁构件的几何关系，评估了2座大桥所有主梁的纵向、横向位移。结果显示，所有主梁的纵向位移方向均为北向，表明大桥在垂直于地震破裂带的方向上受到了显著的脉冲地震动作用。野马滩1号桥的平均纵向位移（上行86 cm，下行72 cm）明显大于2号桥（上行49 cm，下行33 cm）；1号桥70%的主梁脱落，纵向位移由北至南围绕位移均值波动变化；2号桥上行线南部局部落梁，纵向位移由北至南逐渐增大。2座大桥的横向位移呈现波动变化，具有一定的随机性，同时大部分盖梁两侧挡块均严重破坏，表明在平行于地震断裂带方向上受到了显著的往复地震作用。

基于量测得到的桥墩间距，利用相邻跨间距差值对桥墩倾斜移位进行了初步估计。结果表明少数桥墩出现了倾斜或移位。对比三维震害模型，野马滩2号桥上行线桥墩间距差最大的30号墩、35号墩确实出现了肉眼可见的倾斜；野马滩1号桥间距差最大的17号桥墩，东侧墩柱出现严重剪切破坏，可能与该地区大面积的砂土液化有关。

大桥震害三维模型和位移数据可为总结震害经验、仿真模拟分析提供技术支持；文中工作也可为桥梁震害信息提取和保留提供技术方法上的参考。如读者需要2座大桥的三维模型文件，可邮件联系第一作者。