青海玛多M 7.4地震中桥梁地震破坏现象分析

梅泽洪，李小军，陈红娟，李宗超，陈学良

1中国地震局地球物理研究所，北京100081

2北京工业大学，北京100124

0 前言

2021年5月22日，青海果洛州玛多县发生M7.4地震，震源深度17.0 km，此次地震造成距离震中约28 km处的野马滩1、2号大桥发生破坏，其主要表现为桥梁北侧纵向位移过大（1.2 m），桥台挤压拱起从而造成多跨主梁落梁破坏，如图1所示.桥梁是交通工程中的关键枢纽，是道路工程的重要组成，在交通发展中起着非常重要的作用，桥梁的严重破坏不仅是结构本身的经济损失，也会严重影响灾后抗震救援的效率.通过灾后调查，初步判断桥梁场地的地震影响烈度均突破抗震设计值，场地地震动也可能具有速度脉冲特性.根据中国地震局公布的青海玛多M7.4地震的地震烈度分布图，野马滩大桥位于烈度Ⅸ区，且桥梁场地非常靠近此次地震的断层位置（约28 km），但是根据国家强震台网提供的地震动记录信息资料，离桥梁场地最近的强震动台站为远在震中以西175 km处的大武台站（063DAW）.另外，由于缺少野马滩大桥的详细设计资料，很难实现对桥梁结构的精确建模.鉴于此，本文采用了另外一座结构形式类似且抗震设防烈度相同的桥梁，通过Abaqus有限元程序计算，使用第五代地震动区划图(GB18306—2015)（中国地震动参数区划图编写组，2015）中的设计反应谱作为参考，并使用Miyake（2003）及李宗超等（2016,2022）拟合的多条地震动时程和一条具有速度脉冲的近场地震动记录（梅泽洪，2017）做为地震动输入，进行桥梁结构计算分析，以揭示野马滩桥梁的地震反应特征和破坏机理.

图1 野马滩大桥整体和局部破坏情况（来自网络）Fig.1 Overall and partial damage of Yematan bridge

1 桥梁模型与地震动输入

1.1 桥梁模型和混凝土参数

因为未能获取玛多大桥的详细设计资料和桥梁维护情况信息，本文拟选取一座同样位于西部地区的混凝土桥梁，其抗震设防烈度为8度，与野马滩大桥一致.本文选取这座桥梁模型进行结构抗震计算分析，以考察玛多地区该类桥梁的地震响应特征.具体桥梁信息如下：跨径为100 m×178 m×100 m的大跨桥梁，主梁为箱型变截面梁，墩高63 m，中墩墩梁固结，边墩为活动墩，墩顶设双板式橡胶支座.桥梁全部采用C30混凝土结构.桥梁整体有限元模型及前三阶振型，如图2所示.

图2 桥梁有限元模型和前三阶振型Fig.2 Finite element model and mode shape of the bridge

混凝土的动力特性对于模拟桥梁结构地震响应是非常重要的.弹塑性模型和塑性损伤模型是现行描述混凝土材料非线性动力本构的常用模型.采用弹塑性模型进行混凝土宏观力学分析是合理的.但是混凝土破坏过程有别于其他均质材料. 混凝土材料的微观破坏行为是其内部裂缝产生，发展直至贯通.在循环荷载作用下其微观破坏引起的混凝土刚度衰减是其破坏的主要因素.因此，本文拟采用Lee（1998）及Lubliner等（1989）等提出的混凝土塑性损伤模型，因为它能很好地模拟混凝土的循环应力应变关系.桥梁结构混凝土材料的具体参数见表1.混凝土的实验和数值模拟下的循环应力应变关系如图3.

表1 桥梁结构混凝土的动塑性损伤模型参数Table 1 Dynamic plastic-damage model parameters of concrete for bridge structure

图3 混凝土的实验和数值模拟下的循环应力应变关系Fig.3 Cyclic stress–strain curves of concrete tested and simulated by numerical modelling

1.2 地震动输入选取

采用第五代地震动区划图（GB18306—2015）（中国地震动参数区划图编写组，2015）中的设计反应谱作为参考，如图4.因为野马滩桥梁震害严重，已经达到落梁破坏的程度，所以只选取其罕遇及极罕遇地震动反应谱计算.

图4 野马滩大桥设计反应谱Fig.4 Design response spectra of Yematan bridge

因为这次地震中野马滩大桥周边没有获取强震动记录，本文选取李宗超等（2022）人工合成的地震动时程.李宗超（2016）提出将等效的M5.3～5.7的小震对应的参数及时程引入经验格林函数法中，可获得多组水平向的加速度时程.结果表明，利用多个等效震级获得的野马滩大桥处的PGA强度取值范围约在320～620 cm/s2.该地震动强度也基本符合中国地震烈度表（GB/T17742—2020）（中国地震烈度表编写组，2020）中关于Ⅸ度区对应的PGA的取值范围（4.02～8.30 m/s2）. 因此，本文选取两条地震动峰值分别最大和最小的地震动作为输入，如图5a，图中的震级数字表示将175 km处的大武强震动台站记录的地震动等效为野马滩大桥处的地震动时可能对应的震级.另外，根据中国地震局工程力学研究所地震灾后调查，大桥震害很可能与近场地震动的速度脉冲特性影响相关，因此，本文再选取一条1994年Northridge 7.1级地震，Newhall-W.Pico Canyon Rd台站的具有速度脉冲特性的地震动记录作为第三条地震动输入. 三条地震动时程如图5b所示.

图5 选取的地震动时程.（a）合成的地震动时程；（b）Northridge地震动加速度时程和速度时程Fig.5 Chosen time history for anaysis.(a)Synthetic ground shaking time interval;(b)Acceleration time and velocity time of Northridge ground shaking

2 计算结果和分析结论

通过Abaqus有限元计算，本文共计算了5个工况，分别是通过极罕遇地震动和罕遇地震动的设计反应谱计算桥梁结构的地震响应，时程分析的输入包括等效的M5.3（时程一）、M5.7（时程二）和Northridge地震动记录（时程三）.限于篇幅，本文只给出了各个工况地震作用下桥梁的中墩沿桥梁高度的最大位移（图6）、中墩墩顶和墩底的最大应力值（图7）和沿桥梁纵向上部结构应力最大值（图8）.

从图6看，桥墩顶部最大位移，时程一为35.3 cm非常接近极罕遇地震的35.6 cm，时程二和时程三的最大位移为21.4 cm和26.2 cm，均接近或者大于罕遇地震的22.6 cm；从图7看，桥墩的最大应力也是时程一的11.1 MPa接近极罕遇地震的11.9 MPa，时程二和时程三的最大应力都略小于罕遇地震的最大应力5.3 MPa；从图8看，桥梁上部结构主梁的应力也是时程一的11.5 MPa接近极罕遇地震的12.4 MPa,其余时程工况下的上部结构最大应力接近罕遇地震设计的最大应力.总的来说，时程一的桥梁地震反应几乎等于桥梁极罕遇地震的地震反应，时程二的桥梁地震反应也接近桥梁罕遇地震作用的反应，时程三的桥梁地震反应介于罕遇和极罕遇地震作用的反应之间.结果表明，玛多地区抗震设防烈度为8度的桥梁地震反应巨大，存在破损甚至倒塌的可能.

图6 桥梁中墩的最大位移Fig.6 The displacment of the bridge's mid-colume

图7 中墩墩顶和墩底的最大应力值Fig.7 Maximun stress of bent top and bent bottom the bridge's mid-colume

图8 桥梁上部结构沿桥梁纵向应力最大值Fig.8 Maximun stress of supperstructure along the bridge

本文通过远处台站地震动记录合成的玛多地区的地震动和类似震级的地震动记录作为地震输入，对一桥梁模型进行有限元时程分析计算，其结果与第五代地震动区划图（GB18306—2015）（中国地震动参数区划图编写组，2015）中设计地震动反应谱的对比，结果表明玛多地区抗震设防烈度为8度的桥梁有坍塌损毁的可能.具体结论如下：

（1）将基于野马滩大桥外175 km的强震动台站记录合成的地震动和相似震级的具有速度脉冲特性的地震动记录作为输入，对某座结构形式类似且抗震等级相同的大跨桥梁进行有限元时程分析，结果表明在设计罕遇或极罕遇地震动水平下野马滩大桥会发生落梁破坏，与这次玛多地震现场桥梁震害调查分析结论一致.但是因为此桥梁和真实的野马滩大桥还是有很大区别，在结构反应上会有一定的不确定性，会在以后的研究中加以补充；

（2）地震灾后快速评估中，在没有桥梁结构准确信息和工程场地附近没有强震动台站记录的情况下，采用本文建议的方法能快速有效地分析与评估桥梁的震害情况，可以为地震灾后救援提供有效、快速的帮助.

致谢

感谢中国地震局工程力学研究所和强震动课题组为本研究提供数据支持.

附中文参考文献

李宗超，陈学良，高孟潭，等.2016.经验格林函数方法模拟强地面运动的研究进展[J].世界地震工程，32（2）：209-216.

李宗超，孙吉泽，高孟潭，等.2022.青海玛多M7.4 地震中野马滩大桥地震动特征初判[J].地球与行星物理论评，53（1）：101-106.

梅泽洪，李小军，王玉石，兰日清.2017.考虑场地效应的非一致激励下桥梁地震响应特点分析[J].震灾防御技术，12（3）：646-654.

中国地震动参数区划图编写组.2015.GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[S].北京：中国标准出版社.

中国地震烈度表编写组.2020.GB/T17742—2020中国地震烈度表[S].中国地震局.