2.1　上部結(jié)構(gòu)的震害

橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害,按照震害產(chǎn)生原因的不同,可分為上部結(jié)構(gòu)自身的震害、上部結(jié)構(gòu)的移位震害(包括落梁震害)以及上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害。

2.1.1　上部結(jié)構(gòu)自身的震害

橋梁上部結(jié)構(gòu)自身遭受震害而被毀壞的情形比較少見。在發(fā)現(xiàn)的少數(shù)震害中,主要是鋼結(jié)構(gòu)的局部屈曲破壞。圖2.1.1所示為1995年阪神地震中鋼箱梁側(cè)壁和底板的屈曲破壞實(shí)例;圖2.1.2所示為阪神地震中拱橋風(fēng)撐的屈曲破壞。

2.1.2　上部結(jié)構(gòu)的移位震害

橋梁上部結(jié)構(gòu)的移位震害在地震中極為常見,這種震害表現(xiàn)為橋梁上部結(jié)構(gòu)的縱向移位、橫向移位以及扭轉(zhuǎn)移位。一般來說,設(shè)置伸縮縫的地方容易發(fā)生移位震害。在地震中,最為常見的是橋梁上部結(jié)構(gòu)的縱向移位和落梁震害。如果上部結(jié)構(gòu)的移位超出了墩、臺(tái)等的支承面,則會(huì)發(fā)生更為嚴(yán)重的落梁震害。上部結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁時(shí),如果撞擊橋墩,還會(huì)給下部結(jié)構(gòu)帶來很大的破壞。當(dāng)然,橋梁支座和墩臺(tái)的毀壞也會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的墜落。

圖2.1.3所示為2008年我國汶川地震中橋梁上部結(jié)構(gòu)的縱向移位震害,其中左側(cè)主梁縱向移位達(dá)50cm,已發(fā)生支座脫離,但未超出蓋梁支承面,因而未發(fā)生落梁;圖2.1.4所示為汶川地震中上部結(jié)構(gòu)的橫向移位震害,蓋梁的橫向抗震擋塊有效地限制了上部結(jié)構(gòu)的橫向位移。這兩者都是移位未超出支承面的實(shí)例,所以沒有發(fā)生更為嚴(yán)重的落梁震害。

圖2.1.5為汶川地震中映秀岷江大橋的橫向移位震害。該橋上部為預(yù)應(yīng)力簡支板梁斜橋,主梁與蓋梁斜交角約為80°,地震中主梁發(fā)生水平面轉(zhuǎn)動(dòng),映秀岸梁端向上游產(chǎn)生移位80cm左右,汶川岸向下游移位150cm左右,支座脫落,混凝土擋塊破壞。

在1971年美國圣·費(fèi)爾南多地震(San Fernando,M 6.7)中,兩座互通式立交工程嚴(yán)重倒塌毀壞:一座是金州5號高速干道與14號高速公路的立交樞紐,如圖2.1.6所示;另一座是金州5號高速干道與州際210干道的立交樞紐,如圖2.1.7所示。兩座立交樞紐工程部分塌落的外因,主要與臺(tái)墩間和橋墩間過大的水平相對位移有關(guān);而內(nèi)因除了部分墩柱的抗震能力不足外,主要與橋墩墩頂和掛梁支承牛腿處的支承面過窄有關(guān)。雖然在伸縮縫處設(shè)置有連接限位螺栓,但其強(qiáng)度還不足以限制縱向相對位移。這種落梁震害,在高墩支承的多跨橋梁中尤為突出。圖2.1.6中墜落的主梁就支承在高約43m、橫截面為1.8m×3m的獨(dú)柱墩上。

圖2.1.8顯示的是2008年我國汶川地震中廟子坪大橋的引橋第5跨(從主梁計(jì)算)落梁震害。廟子坪大橋主橋?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu),橋墩高108余米,引橋?yàn)?0m先簡支后連續(xù)橋梁(橋面連續(xù)),共19跨。地震時(shí)廟子坪大橋還沒有通車,但主體結(jié)構(gòu)已完工。由于地震中梁、墩相對位移過大,引橋第5跨伸縮縫處由于梁墩位移大于墩頂支承面寬度而落梁。由圖2.1.8(b)和(c)可以看出,廟子坪大橋引橋采用板式橡膠支座,板式橡膠支座放在支座墊石上,支座墊石的支承寬度約50cm,沒有采用任何縱橋向的防落梁措施。由于板式橡膠支座與梁底、支座與墊石之間均無連接,地震中,梁底與支座頂面、支座底面與墊石之間產(chǎn)生相對滑動(dòng),當(dāng)梁端與支座墊石間的相對位移超過支座墊石支承寬度而落梁,由圖2.1.8(b)可以看出落梁時(shí)梁底與支座墊石和橋墩邊緣碰撞產(chǎn)生的損傷。可見,落梁除與地震引起較大梁、墩相對位移有關(guān)外,還與支承部位的構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān)。

圖2.1.9所示為1989年美國洛馬·普里埃塔地震(Loma Prieta Earthquake,M 7.0)中,舊金山—奧克蘭海灣大橋引橋的一跨落梁震害。梁體塌落的主要原因是設(shè)計(jì)低估了相鄰橋墩間的相對位移,致使連接螺栓剪斷。

圖2.1.10所示為1995年日本阪神地震中西宮港大橋(主跨252m的鋼系桿拱橋)第一跨引橋脫落的震害現(xiàn)象。落梁的原因主要是主橋和引橋間的相對位移過大,橋墩的支承面太窄,且支座、連接限位構(gòu)件失效。圖2.1.11(a)、(b)分別為落梁跨兩側(cè)的墩頂震害。

圖2.1.12所示為2008年我國汶川地震中,百花大橋第5聯(lián)完全垮塌。圖2.1.13所示為百花大橋第5聯(lián)和第6聯(lián)的平面布置,第6聯(lián)橋臺(tái)設(shè)置雙向滑動(dòng)支座,19號墩為固定墩,在18號墩后1.73m處設(shè)牛腿,牛腿上設(shè)置雙向滑動(dòng)支座;第5聯(lián)為5m×20m連續(xù)梁,位于半徑為66m的圓曲線上,第5聯(lián)的第5跨梁左端支承在牛腿上,16號墩為固定支座,第2跨采用雙向滑動(dòng)支座支承在13號墩頂。第6聯(lián)和第5聯(lián)各橋墩的墩高見表2.1.1,由此可以看出,第5聯(lián)的固定墩與第6聯(lián)的固定墩的墩高度相差近3倍,第5聯(lián)與第6聯(lián)的整體剛度和動(dòng)力特性相差較大,地震中第5聯(lián)和第6聯(lián)發(fā)生非同向振動(dòng),導(dǎo)致牛腿處第5聯(lián)左梁端與第6聯(lián)梁端發(fā)生大于支承寬度(60cm)的位移,而橋梁缺乏必要的縱、橫向連接構(gòu)造措施,所以第5聯(lián)左梁端落梁折斷,并進(jìn)一步?jīng)_擊下部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整體垮塌。沒有發(fā)生垮塌的相鄰橋的橋墩發(fā)生了不同程度的破壞。

2.1.3　上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害

如果相鄰結(jié)構(gòu)的間距過小,在地震中就有可能會(huì)發(fā)生碰撞,產(chǎn)生非常大的撞擊力,從而使結(jié)構(gòu)受到破壞。橋梁在地震中的碰撞,比較典型的有:相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)的碰撞以及相鄰橋梁間的碰撞。

圖2.1.14為1989年美國洛馬·普里埃塔地震中相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害,圖2.1.15為2008年我國汶川地震中相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害。

圖2.1.16為1995年阪神地震中兩相鄰鋼結(jié)構(gòu)板梁橋在地震作用下,由于間隙預(yù)留的距離小,間隙內(nèi)也沒有設(shè)置防撞擊的彈性材料,致使兩片主梁相互碰撞,各主梁端部發(fā)生局部失穩(wěn)變形。

圖2.1.17為1989年美國洛馬·普里埃塔地震中相鄰橋梁結(jié)構(gòu)間的碰撞震害。圖中為較低橋梁的上部結(jié)構(gòu)與支承相鄰較高橋梁的墩柱間的碰撞。這種碰撞是非常不利的,因?yàn)樽矒袅?huì)大大增加墩柱的剪力,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致墩柱的剪切破壞,從而引起橋梁的倒塌。所以,這種碰撞應(yīng)通過設(shè)置足夠的間距予以避免。