基于傾斜攝影建模的硫磺溝鐵路橋震害分析

張昊宇，黃 勇，汪云龍

（1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

2022 年1 月8 日，青海省北州門源縣（37.77°N，101.26°E）發(fā)生6.9 級(jí)地震，震源深度10 km［1］。此次地震中，穿越冷龍嶺斷裂的蘭新高鐵大梁隧道和硫磺溝大橋橋面受損停運(yùn)，是本次地震最典型的工程震害之一。震后筆者參加了工程震害的科學(xué)考察，著重對(duì)這座大橋進(jìn)行了調(diào)查。借助無人機(jī)航拍及傾斜攝影建模技術(shù)［2-4］，構(gòu)建了這座鐵路橋的三維震害模型，并基于該模型對(duì)鐵路橋的主梁軸向、側(cè)向位移和轉(zhuǎn)角，以及橋墩距離進(jìn)行了測(cè)量估計(jì)，對(duì)得到的震害位移進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。一方面完整記錄震害現(xiàn)象，為鐵路橋的震害經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、地震模擬分析提供參考；同時(shí)也對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在橋梁震害調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 硫磺溝鐵路橋及其震害概況

硫磺溝大橋處于蘭新高鐵大梁隧道與祁連山隧道之間，為8跨簡(jiǎn)支梁高速鐵路橋梁，單跨跨度約為32 m，橋梁寬度為12 m 左右［5］。應(yīng)急管理部、中國(guó)地震局2022 年1 月11 日發(fā)布的烈度圖［6］顯示，此次地震宏觀震中烈度為Ⅹ度，該橋即位于宏觀震中區(qū)，距離地表破裂帶約200 m左右（如圖1（a）、（c））。震后鐵路橋面梁嚴(yán)重移位、傾斜，軌道嚴(yán)重扭曲、局部錯(cuò)斷（圖1（b）、（d）），造成鐵路停運(yùn)。

圖1 硫磺溝鐵路橋總體震害Fig.1 Aerial view of Liuhuanggou railway bridge

2 航拍及傾斜攝影建模

2.1 航拍概況

使用大疆Mavic2 pro進(jìn)行航拍。由于橋梁側(cè)面及墩柱為建模重點(diǎn)，故航拍采用正攝航線規(guī)劃，其他方向手動(dòng)控制的拍照方法：除了正攝和4 個(gè)斜45°方向外，還進(jìn)行了近距離平視和仰視側(cè)面拍照（圖2）。采集到的有效照片數(shù)量共計(jì)1 424張。

圖2 硫磺溝鐵路橋航拍分布Fig.2 Aerial photo position

2.2 傾斜攝影建模

使用大疆智圖（DJI Terra）［7］建模：選取三維模型功能，根據(jù)軟件提示，將照片導(dǎo)入后點(diǎn)擊“開始重建”按鈕，即可為自動(dòng)完成建模。之后將模型轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展名為osgb的通用格式，可用多個(gè)模型瀏覽器打開。圖3為在Context Capture Viewer瀏覽器中打開的鐵路橋模型。

圖3 硫磺溝鐵路橋震害模型Fig.3 3-D damage model of Liuhuanggou railway bridge

受限于設(shè)備及場(chǎng)地條件，模型還存在以下不足：（1）缺乏相控點(diǎn)，模型的定位和尺寸精度缺少參考［8］；（2）拍攝角度所限，部分橋梁底面和橋墩的細(xì)部較為粗糙（圖4）。對(duì)此，通過核對(duì)橋梁主要尺寸對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)橋梁細(xì)節(jié)的模糊對(duì)整體震害位移的評(píng)估影響不大。

圖4 模型不足Fig.4 Deficiencies of the models

3 橋梁典型尺寸和震害位移量測(cè)及初步分析

借助3D 模型瀏覽器Context Capture Viewer，可量測(cè)鐵路橋的主梁寬度、橋墩間距、縱橫橋向位移等信息。為便于觀察，將鐵路橋主梁及橋墩按圖5，由南至北進(jìn)行排序。

圖5 鐵路橋主梁及橋墩序號(hào)Fig.5 Numbers of the piers and girders

3.1 主梁寬度及跨度

如圖6（a）），對(duì)每個(gè)主梁，在兩側(cè)（南、北）分別測(cè)量主梁寬度，以二者均值作為該梁寬度估計(jì)值，結(jié)果如圖6（b））所示。主梁跨度的量測(cè)如圖7所示。對(duì)每一跨主梁，分別在東西兩邊量取跨度值，以二者均值作為主梁跨度估計(jì)值，結(jié)果如圖7（b））。將伸縮縫寬度考慮進(jìn)來后，可見其基本符合前述大橋基本信息——跨度32 m左右，橋?qū)?2 m左右。

圖6 主梁寬度Fig.6 Girders width

圖7 主梁跨度Fig.7 Girders span measurement

3.2 橋墩間距及傾斜估計(jì)

如圖8（a），對(duì)7個(gè)橋墩墩底的縱向水平間距進(jìn)行量測(cè)。每個(gè)橋墩分別量測(cè)南面和北面的間距，以均值作為橋墩間距的估計(jì)值，結(jié)果如圖8（b）所示。采用相同方法測(cè)量了橋墩墩頂間距（圖9（a）。由于橋墩頂部為曲面，為減少誤差，對(duì)南北側(cè)面，分別量測(cè)了東西向的距離，將得到的四個(gè)數(shù)值取平均，作為墩頂間距估計(jì)值，如圖9（b）所示。

用圖9（b）墩頂距減去圖8（b）的墩底距，即得到圖10 所示的間距差曲線。可見，其基本穩(wěn)定在+0.05 m附近。導(dǎo)致該差值的原因?yàn)闃蚨崭卟钏拢喝鐖D11所示，7個(gè)橋墩的高差共計(jì)3.6 m，由南至北逐漸降低，而圖8墩底間距測(cè)量時(shí)選取了接近水平的距離，這使得墩頂墩底間距出現(xiàn)了固定差值。與此同時(shí)，考慮到若橋墩在縱向（南北向）上出現(xiàn)明顯傾斜，將導(dǎo)致圖10 所示的間距差曲線隨橋跨出現(xiàn)異號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象。因此圖10較為穩(wěn)定的間距差也表明橋墩在縱向上未出現(xiàn)明顯傾斜變形。

圖8 墩底間距Fig.8 Pier bottom span measurement

圖9 墩頂間距Fig.9 Pier top span measurement

圖10 墩頂-墩底距離差值Fig.10 Span differences between top and bottom of the piers

圖11 橋墩高差Fig.11 Pier height difference

橋梁尺寸量測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 硫磺溝鐵路橋典型尺寸測(cè)量值Talbe 1 Size measurement of the Liuhuanggou railway bridge

3.3 主梁縱向位移估計(jì)

如圖12，測(cè)量橋墩墊塊的寬度、主梁伸縮縫中線距墊塊南側(cè)的距離，之后按公式（1）估計(jì)每個(gè)橋墩兩端主梁的平均縱向位移。對(duì)每個(gè)橋墩東、西兩側(cè)的位移結(jié)果取均值，由此作為該橋墩處主梁縱向位移（南北向，北向?yàn)檎┑墓烙?jì)值。由此得到的位移曲線如圖12（d）所示。

圖12（d）顯示，主梁縱向位移呈現(xiàn)南側(cè)向北，北側(cè)向南逐漸變化的趨勢(shì)。估計(jì)其與鐵路橋所處的近場(chǎng)地震作用相關(guān)。由圖1（a）可知，地表破裂帶位于鐵路橋南側(cè)不遠(yuǎn)。地震發(fā)生時(shí)，鐵路橋很可能在縱向受到了垂直于破裂帶，北向的脈沖地震作用［9，10］。南側(cè)的主梁由于南端橋臺(tái)的約束，在脈沖作用下可能出現(xiàn)北向位移；而隨著伸縮縫的累積和橫向位移的影響，北側(cè)主梁在縱向上逐漸有了更大的位移自由度，因此在脈沖作用下，因慣性作用出現(xiàn)了南向位移。在2020年瑪多地震中，靠近地表破裂帶的野馬灘2號(hào)公路橋，縱向側(cè)移同樣呈現(xiàn)了類似規(guī)律：隨著逐漸遠(yuǎn)離破裂帶，主梁縱向位移逐步累積加大［11，12］。

圖12 主梁縱向位移估計(jì)Fig.12 Longitudinal displacement measurement of the girders

3.4 主梁橫向位移估計(jì)

如圖13（a），近似采用目測(cè)方法量測(cè)橋墩中點(diǎn)至主梁梁底中點(diǎn)的距離，作為主梁側(cè)移估計(jì)值。該方法雖較為粗略，但用于大橋的震害趨勢(shì)判斷和概念分析精度尚可。對(duì)于毗鄰橋臺(tái)的主梁，如圖13（b），采用端部位錯(cuò)估計(jì)該點(diǎn)側(cè)移。以向西為正，分別量取每跨主梁兩端的側(cè)移值，可得到圖13（c）所示的側(cè)移曲線。圖13（d）給出了震損鐵路橋的正投影像。可見其與側(cè)移曲線分布基本吻合。

圖1（a）的黃色箭頭給出了本次地震的破裂方向示意：左旋走滑。按照簡(jiǎn)單的破裂方向判斷，橫向的地震作用慣性力最有可能形成的主梁側(cè)移應(yīng)為東向。而圖13 結(jié)果顯示，南側(cè)的多數(shù)主梁橫向側(cè)移為西向，只有北側(cè)少數(shù)主梁為東向側(cè)移。造成該結(jié)果的原因?yàn)楹危?/p>

圖14 分別展示了②、④和⑥號(hào)橋墩處主梁擋塊的破壞情況。震害調(diào)查顯示，所有橫向殘余側(cè)移為西向的主梁，兩側(cè)擋塊均破壞掉落；而殘余側(cè)移為東向的主梁，均表現(xiàn)為東側(cè)擋塊掉落或破壞，西側(cè)擋塊完好。由此可知，在平行于破裂帶的方向上（東西向），鐵路橋承受了劇烈的往復(fù)地震作用，同時(shí)若與地震動(dòng)的行波效應(yīng)［13-14］綜合作用，則可使得主梁的橫向側(cè)移呈現(xiàn)圖13所示趨勢(shì)。類似的現(xiàn)象在野馬灘大橋震害中同樣有體現(xiàn)：大多數(shù)橋墩兩側(cè)的擋塊均出現(xiàn)顯著破壞，主梁橫向殘余側(cè)移呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)［11-12］。

圖13 主梁橫向位移Fig.13 Transverse displacement measurement of the girders

圖14 典型擋塊震害Fig.14 Seismic damage of the blocks

3.5 主梁傾斜估計(jì)

如圖15，測(cè)量主梁頂面兩端的距離d及高差h，即可利用式（2）估計(jì)主梁側(cè)向傾斜角度θ。分別測(cè)量每個(gè)主梁兩端的傾角，取均值作為該主梁的傾角估計(jì)值，結(jié)果如圖15（c）所示。

圖15 主梁傾角量測(cè)（向東傾斜為正）Fig.15 Piers inclination measurement（tilt to east is positive）

對(duì)比圖15（c）和圖13（c）可知，主梁的橫向傾斜與橫向側(cè)移趨勢(shì)形狀類似。由圖14（a）（b）可知，主梁的傾斜就是由橫向側(cè)移導(dǎo)致——梁底一側(cè)脫離了支座和墊塊的支撐，滑落傾斜。但圖13（c）和圖15（c）仍存在顯著區(qū)別：主梁側(cè)移量正負(fù)兼有（東西向兼有），而主梁傾斜則均為正（均為東向）。最典型的第6 跨主梁，其側(cè)移為西向，而傾角為東向，其在梁底支座處的表現(xiàn)如圖14（c），一側(cè)支座處出現(xiàn)懸空。

是何原因?qū)е律鲜霾粎f(xié)調(diào)的震損現(xiàn)象？震害調(diào)查顯示，其可能與整體橋梁變形以及軌道約束有關(guān)。圖16為幾處主梁連接處軌道的震損照片。軌道出現(xiàn)了不同程度的伸長(zhǎng)、屈服、變形甚至斷裂?？梢娫庥龅卣鹱饔闷陂g，軌道與主梁具有相對(duì)較強(qiáng)的錨固連接，承受了較大的往復(fù)拉壓作用，軌道的反作用力可能對(duì)主梁形成一定的拉結(jié)效果，使得鐵路橋主梁的整體性有所加強(qiáng)。圖13（c）表明，多數(shù)主梁的側(cè)移方向?yàn)槲飨颉Ｒ虼擞锌赡茉诙鄶?shù)主梁出現(xiàn)西向側(cè)移及東向傾斜后，軌道的連接作用對(duì)少數(shù)東向側(cè)移主梁的轉(zhuǎn)動(dòng)形成了一定的約束，使其未能出現(xiàn)與側(cè)移相對(duì)應(yīng)的西向傾斜。這與部分已有研究結(jié)論［15，16］相符。該震害的具體機(jī)理和啟示有待進(jìn)一步的研究分析。

圖16 軌道典型震損Fig.16 Seismic damage of the railway tracks

主梁變形量測(cè)結(jié)果見表2。

表2 硫磺溝鐵路橋震害變形測(cè)量值Talbe 2 Seismic drift of the beams of Liuhuanggou railway bridge

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)青海門源地震中嚴(yán)重震損的硫磺溝鐵路橋，借助無人機(jī)航拍及傾斜攝影建模技術(shù)，構(gòu)建了這座鐵路橋的三維震害模型，并基于該模型對(duì)鐵路橋的跨度、主梁軸向、側(cè)向位移和轉(zhuǎn)角進(jìn)行了測(cè)量估計(jì)，并對(duì)震害機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)析。

量測(cè)結(jié)果表明，鐵路橋的震害主要表現(xiàn)為顯著的主梁縱向、橫向位移和橫向傾覆：（1）主梁縱向位移呈現(xiàn)南側(cè)主梁北移，北側(cè)主梁南移，可能源于地表破裂帶垂直方向上的脈沖地震動(dòng)作用及橋臺(tái)約束；（2）主梁橫向位移呈現(xiàn)南側(cè)多數(shù)主梁西移，北側(cè)少數(shù)主梁東移，可能源于平行于地震破裂帶方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和行波效應(yīng)；3）所有主梁的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)均為向東傾斜，南側(cè)主梁傾斜幅度較大，北側(cè)主梁傾斜幅度較小，源于橫向側(cè)移致使主梁底端一側(cè)滑落至墊塊以外，同時(shí)軌道對(duì)主梁間的相對(duì)變形起到一定的約束作用。

作為高速鐵路橋近斷層震害的典型案例，硫磺溝鐵路橋的三維模型和震害位移可為總結(jié)震害經(jīng)驗(yàn)、仿真模擬分析提供技術(shù)支持。