（岩土工程专业论文）强震区梁桥破坏机理、安全评价与抗震防护技术.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢刮张 嗍竹，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不 限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权 利。 学位论文作者签名：名弭荔氇乙 日期：卅年缈月，乡日 指导教师签名： 日期：训年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库 中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名：古胡荔筮 日期：勿印年纱月，日 指导教师签名： 日期：乃年多 iylllllllllll119lll110lllllllllllll9tlul3llllll8llll(y 19 0 19 3 8 捅要 汶川大地震全国共造成6 1 4 0 座桥梁受损，而震后四川省交通厅组织的重灾区 第一批调查检测的1 6 5 7 座公路桥梁中，梁桥就占到了8 0 以上，如都江堰一汶川 高速公路的庙子坪大桥、百花大桥等，在地震发生后中部桥板坠落、基础变形、 倾覆，导致进入强震区的公路交通生命线中断，救灾部队、人员和医疗、生活物 资迟迟不能从陆路进入，显著放大了地震灾害。因此，梁桥强震作用下的抗震性 能研究成为焦点。 本文以“5 1 2 ”汶川大地震中强震区公路梁桥为研究对象，采用理论分析与 数值模拟相结合的研究方法，对强震区梁桥破坏机理、安全评价方法和抗震防护 技术进行了系统研究，取得的主要成果如下： 1 ) 通过资料检索、现场调查等提炼了梁桥震害类型，包括支座破坏、桥墩破 坏和桥台破坏等三类，其中梁桥支座破坏形式主要有剪切破坏和移位破坏两种， 桥墩破坏形式有弯曲破坏、剪切破坏和弯剪破坏三种，桥台破坏形式有沉陷、开 裂、转动和滑移倾覆破坏等。 2 ) 假设桥墩为延性设计，地震期间会产生塑性铰，利用图乘法推导了双柱式 桥墩墩顶破坏位移计算公式，并对双柱式桥墩进行了地震反应谱分析，结果表明 桥墩受顺桥向地震作用明显，桥墩底部的应力值最大：在m o n o n o b e o k a b e 公式基 础上，推导了台后破裂面受限制时的侧墙主动地震土压力计算公式；基于动力 w i n k l c r 地基梁模型，对单桩水平微分方程进行了求解，获得了单桩水平地震响应 解，并进行了算例验证。 3 ) 针对强震区一座箱型连续梁桥进行了地震反应谱分析，发现梁桥支座处、 跨中处和墩底截面的弯矩及剪力值较大或变化较大为最不利截面，桥台顶部和底 部位移变形较大，纵向地震作用对其影响明显。 4 ) 从结构材料、地基条件、基础类型、地震力、桥台填土、桥台边坡、施工 工艺、破坏机理等方面，遴选震害梁桥的安全评价指标，基于隶属度函数对各评 价指标进行相对重要程度排序，并采用层次分析法和专家效度法对评价指标权重 进行确定与修正，最终将模糊数学理论与层次分析法相耦合，构建了震害梁桥安 全性模糊层次综合评价方法，并采用汶川大地震期间产生的震害梁桥进行了验证 分析，评价结果与实际规范检测结果基本吻合。 5 ) 针对强震区梁桥桥台向桥孔河心滑移、倾覆沉降的破坏现象，研发了桥台 拉梁反拉和挡块支撑抗震加固技术，并建立了相应的计算方法、设计方法及施工 方法。 关键词：破坏机理；模糊层次综合评价；抗震防护技术：梁桥；强震区。 a bs t r a c t t h e “5 1 2 ”w e n c h u a ne a r t h q u a k eh a sc a u s e dd a m a g et o6 ，1 4 0b r i d g e s a m o n gt h e f i r s tt e s t e d1 , 6 5 7b r i d g e s ，t h e r ea r e8 0 b e a m - b r i d g e s ，s u c ha sm i a o z i p i n gb r i d g ea n d b a i h u ab r i d g ei nt h ed u j i a n g y a n - w e n c h u a nh i g h w a y , a c c o r d i n gt ot h ed a t ar e l e a s e d f r o ms i c h u a np r o v i n c i a lc o m m u n i c a t i o nd e p a r t m e n t f o rt h e s eb e a m - b r i d g e s ，t h e m i d d l e - b r i d g e - p l a t em a yh a v ef a l l e n ，a n ds o m em a yh a v es u f f e r e db a s e d e f o r m a t i o n a n do v e r t h r o w a sar e s u l t , t h et r a f f i cw a sb r o k e no f fa n dt h ed i s a s t e rr e l i e fw o r k e r sa n d m a t e r i a l sw e r eh e l du pi nt h el a n dr o u t e sa n dt h i sh a sc a u s e dm o r es e v e r ee f f e c t s i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fb e a m - b r i d g es e i s m i cb e h a v i o ru n d e rt h ea c t i o no f m a c r o s e i s mw a st ob ef o c u s e d a c c o r d i n g t ot h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h e h i g h w a y - b e a m - b r i d g e si n t h em e i z o s e i s m a la r e ai nw e n c h u a ne a r t h q u a k ew e r es t u d i e d t h e r ea r es e v e r a la s p e c t sb e i n gs t u d i e d - - f a i l u r em e c h a n i s m ，s e c u r i t ye v a l u a t i o na n d a n t i - s e i s m i c - p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 ) b a s e d0 nt h ed a t am a t e r i a la n ds i t ei n v e s t i g a t i o n , t h eb e a m - b r i d g ed a m a g et y p e s w e r es u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gs u p p o r tf a i l u r e ，f o u n d a t i o nf a i l u r ea n da b u t m e n t - p i e c e f a i l u r e f o rt h es u p p o r tp a r t ，t h em a i nd a m a g ef o r m si n c l u d es h e a rf a i l u r ea n ds h i f t d e s t n l c t i o n f o rt h ef o u n d a t i o np a r t , t h e ya r eb e n dd e s t r u c t i o n , s h e a rf a i l u r ea n d b e n t - s h e a r a n df o rt h ea b u t m e n t p i e c e ，t h ed a m a g ef o r m si n c l u d e ：s u b s i d e n c e ，c r a z e ， r o t a t i o na n ds l i d i n go v e r t h r o w nd e s t r u c t i o n , e t c 2 ) a s s u m et h ep i e ri s d u c t i l ea n dp l a s t i ch i n g ew o u l db ep r o d u c e di n t h e e a r t h q u a k e f o rt h ed o u b l ec o l u m nt y p e ，t h ed i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o nf o r m u l af o rt h e p i e r - t o pd a m a g ew a sd e d u c e d ，a c c o r d i n gt ot h ed i a g r a mm u l t i p l i c a t i o no f t h es t r u c t u r a l m e c h a n i c s b e s i d e s ，t h ee a r t h q u a k er e s p o n s es p e c t r u mi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep i e rw a sa f f e c t e do b v i o u s l ya l o n gt h eb r i d g ea n dt h eb o t t o ms t r e s si st h eg r e a t e s t b a s e do nt h em o n o n o b e o k a b ef o r m u l a , t h es i d e w a l la c t i v es o i lp r e s s u r ec a l c u l a t i o n f o r m u l aw a sd e d u c e dw h e nt h eb a c k - a b u t m e n tp i e c eb e i n gl i m i t e d a c c o r d i n gt ot h e d y n a m i cw i n k l e rf o u n d a t i o n - b e a mm o d e l ，t h es i n g l e - p i l e h o r i z o n t a ld i f f e r e n t i a l e q u a t i o nw a ss o l v e da n dv e r i f i e d 、析t i lo n es a m p l e 3 ) f o ro n eb o xg i r d e rb r i d g e ，t h ee a r t h q u a k er e s p o n s es p e c t r u mi ss t u d i e da n dt h e r e s u l ts h o w st h a tt h eb e n d i n gm o m e n ta n dt h es h e a f i n gf o r c ea r er e l a t i v eh i g h e ro r c h a n g em o r eo b v i o u s l ya tt h es u p p o r t i n gs e a t ，m i d s p a na n dt h ec r o s s s e c t i o no ft h ep i e r b o t t o m t h e yw o u l db et h em o s tf l a i lp a r t s 1 f l ke a r t h q u a k eh a sa f f e c t e dt h et o pa n d b o t t o mo ft h ea b u t m e mp i e c eo b v i o u s l ya l o n gt h eb r i d g e ，r e s u l t i n g 诵t l lg r e a t e r d i s p l a c e m e n t 4 ) f r o mt h ea s p e c t so ft h es t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，f o u n d a t i o nc o n d i t i o n s ，b a s i st y p e s ， s e i s m i cf o r c e s ，t h ea b u t m e n tp i e c ef i l l e ds o i l ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n df a i l u r e m e c h a n i s m ，e t c ，t h es e c u r i t ye v a l u a t i o ni n d i c e sw e r ea d v a n c e d f o rt h ei n d i c e s ，t h e ya r e r a n k e d 、加t 1 1t h ed i f f e r e n ti m p o r t a n c ea c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo fm e m b e r s h i pa n dt h e v a l u e sw e r em o d i f i e da n dc o n f i r m e dw i t ht h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a n d e x p e r ta n a l y s i s f u r t h e r , t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o df o rt h es e c u r i t yo ft h e b e a m - b r i d g ei nt h ee a r t h q u a k ew a sp u tf o r w a r d 、析mt h ec o m b i n a t i o no ft h ef u z z y m a t h e m a t i c a lt h e o r y 、析t l la h pa n dv e r i f i e dw i t ht h ec a s e si nw e n c h u a ne a r t h q u a k e m r e s u l ti s9 0 0 da n df i tt h ea c t u a ls i t u a t i o n 5 ) f o rt h eb e a m b r i d g e ，t h e r e a l et w od a m a g ep h e n o m e n an e e d e dt ob e c o n c e m e d a b u t m e n tp i e c es l i p p a g et o w a r dt h em i d d l e - r i v e ra n do v e r t h r o w - s l i p a i m t o t h e s ep h e n o m e n a , t w ot e c h n o l o g i e sw e r ep r e s e n t e d - - - - c o u n t e r - d r i v eb e a ma n d a n t i s e i s m i cr e i n f o r c eb l o c k ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d so fc a l c u l a t i o n , d e s i g na n d c o n s t r u c t i o nw e r er a i s e d k e y w o r d s ：f a i l u r em e c h a n i s m ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ff u z z ym a t h e m a t i c a lt h e o r y w i t ha h p ；a n t i - s e i s m i cp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ；b e a m - b r i d g e ；m e i z o s e i s m a la r e a 目录 目录 第一章绪论1 1 1 本文研究的目的及意义1 1 2 国内外研究现状及趋势2 1 2 1 梁桥地震破坏机理2 1 2 2 梁桥安全评价3 1 2 3 梁桥抗震防护技术4 1 3 本文研究内容及技术路线5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 技术路线6 第二章强震区梁桥破坏机理7 2 1 强震区梁桥震害情况7 2 1 1 支座震害7 2 1 2 墩柱震害8 2 1 3 桥台震害8 2 1 4 梁桥基础震害9 2 1 5 其它震害9 2 2 梁桥破坏过程1 1 2 2 1 支座破坏l l 2 2 2 墩柱破坏1 6 2 2 3 桥台开裂破坏2 2 2 2 4 梁桥桩基地震破坏2 5 2 3 混凝土梁桥地震破坏数值模拟3 2 2 3 1 计算模型及相关参数的选取3 2 2 3 2 地震反应谱输入分析3 4 2 3 3 全桥反应谱位移结果分析3 5 2 3 4 主梁及桥墩反应谱内力响应分析3 6 2 3 5 墩台震动谱位移结果分析3 9 2 4 本章小结4 5 第三章强震区公路梁桥安全评价方法4 6 3 1 强震区公路梁桥安全评价指标4 6 3 1 1 安全评价指标构建原则4 6 3 i 2 安全评价指标构建4 6 3 1 3 安全评价指标等级4 8 3 2 模糊层次综合安全评价方法4 8 4 3 桥台拉梁反拉抗震防护技术7 5 4 3 1 加固机理7 5 4 3 2 构造设计7 6 4 4 3 施工方法8 l 4 4 埋置式桥台挡块支撑技术8 2 4 4 1 加固机理8 2 4 4 2 构造设计8 2 4 4 3 施工方法8 6 4 4 本章小结8 7 第五章结论与建议8 8 5 1 结论8 8 5 2 建议8 9 致谢9 0 参考文献9 l 在学期间发表的论著及取得的科研成果9 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的及意义 2 0 0 8 年5 月1 2 日，四川省汶川县发生了里氏8 级特大地震，上海、宁夏、云 南、重庆等十多个省区市均有震感。汶川地震造成了交通生命线工程的严重破坏， 2 4 条高速公路、1 6 1 条国省干线、8 6 1 8 条乡村公路、6 1 4 0 座桥梁和t 5 6 条隧道受 损，公路、桥梁、隧道各类交通基础设施损毁的直接经济损失达6 7 0 亿元，其中 桥梁损毁最为严重。与楼房等建筑物不同，直接发生在桥梁上的伤亡人数并不 多，但是由于交通生命线损毁、中断而造成的经济损失和人员伤亡不可估量。同 时，遭受破坏的大型桥梁修复起来比较困难，严重影响灾区生产生活和灾后的重 建工作。 图1 1 庙子坪大桥 f i 9 1 im i a oz ip i n gb r i d g e 图1 2 百花大桥 f i 9 1 2b a i h u ab r i d g e 四川汶川大地震灾难警示我们，强震区地震灾害应急处置中，桥梁的抗震性 能及震害桥梁的快速修复是公路交通生命线的关键环节之一。统计资料显示，汶 2 第一章绪论 川大地震共造成6 1 4 0 座桥梁受损吖习，而其中大部分为梁桥，如都江堰一汶川高 速公路的庙予坪大桥“卜嘲、百花大桥口h 鲫在地震发生后中部桥板坠落、基础变形、 倾覆，导致进入强震区的公路交通生命线中断，救灾部队、人员和医疗、生活物 资迟迟不能从陆路进入，显著放大了地震灾害。因此，梁桥强震作用下的抗震性 能研究成为焦点。 目前，国内外学者对各种梁桥的抗震性能做了大量研究，重点在梁桥结构本 身，而在强震区梁桥下部结构与地基基础的耦合作用、地震次生灾害对梁桥的影 响方面研究较少，导致强震发生后梁桥抗震性能严重不足造成严重的梁桥毁损。 因此，加强强震区梁桥上部结构与下部结构及地基基础之间耦合破坏机理的 研究，构建震害梁桥的安全评价理论，开发震害梁桥抗震防护技术，对于指导强 震区梁桥抗震设计以及维护，具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 梁桥地震破坏机理 目前，国内外很多专家学者都对地震作用下梁桥的破坏机理进行了分析研究。 z h i q i a n gw a n g 和g e o r g ec l e e ( 2 0 0 9 ) 对汶川地震、加利福尼亚洛马地震和圣费 尔南多地震中的梁桥震害进行了对比研究，并讨论了中国与美国抗震规范内容， 认为汶川地震震级远远超过了规范中梁桥抗震设防烈度n 们。徐俊祥( 2 0 0 8 ) 等以土耳 其a r i f i y e 大桥为对像，利用l s d y n a 程序建立数值分析模型研究了桥梁由于地 裂引起倒塌的过程，结果表明结构完整性能够明显阻止结构发生连续性倒塌破坏， 在阻止地裂引起桥梁破坏方面，连续结构形式优于简支结构形式u 。周勇军( 2 0 0 8 ) 等根据位于弹性地基基础上连续梁的变形特性，假设桥墩的基本振型函数由自身 变形、基础转动和平动引起的变形3 部分组成，由拉格朗日方程建立全桥顺桥向 的地震振动方程，得到了包含地基特性综合参数的结构自振频率以及振型参与系 数n 引。f a b i oet a u c e r ( 2 0 1 0 ) 等从能量消耗的角度对空心桥墩抗震性能进行了反 应谱分析，并给出了桥墩屈服刚度闭合解u 叫。v a s i l i o sqb a r d a k i s 和m i c h a e ln f a r d i s ( 2 0 1 0 ) 通过线弹性假设分析了混凝土梁桥的地震变形，并与阻尼比为5 的非线性模态响应谱结果进行了对比，认为地震动越强，线弹性与非线性动力分 析预测的梁桥地震变形量差距越大 1 4 o a h m e da b d e l m o h t i 和g o k h a np e k c a n ( 2 0 0 8 ) 对钢筋混凝土箱梁桥地震响应进行了p u s h o v e r 分析，认为p u s h o v e r 方法能够预测 地震位移变形最大值，并且更接近真实情况n 副。董胜利( 2 0 0 7 ) 等总结了6 种半主动 控制算法，采用黏滞阻尼器，对一座三跨简支梁桥进行了不同地震动输入下的半 主动控制地震反应计算分析，比较分析了不同地震动输入下的半主动控制算法对 简支梁桥地震反应控制效果的影响n 旬。王军文( 2 0 0 5 ) 等针对连续梁桥在地震作用下 第一章绪论 3 伸缩缝处的碰撞现象，建立了考虑支座非线性和墩柱弹塑性的碰撞模型。在此基 础上，应用非线性时程方法研究了纵向地震作用下连续梁桥相邻联的非同相振动 和伸缩缝处的碰撞效应n 们。邓育林( 2 0 0 7 ) 等采用非线性时程地震反应分析方法，探 讨了横向地震作用下梁体与抗震挡块间的碰撞对连续梁桥地震反应的影响，结果 表明：梁体与抗震挡块间的碰撞不仅产生很大的撞击力，还会导致桥墩的地震需 求增大，对结构抗震不利n 引。而国外学者对横向碰撞的研究大多局限在简支梁桥 上n 1 2 。邵长江( 2 0 0 6 ) 等采用基于断裂能的损伤变量表达式，以单位体积材料当前 耗能与断裂能的比值定义损伤变量，考虑了混凝土的拉压异性效应。引入了地震 损伤的整体演化指标，通过有限元方法利用材料塑性损伤模型模拟桥梁结构在地 震激励下的非线性损伤演化过程口别。王军文( 2 0 0 6 ) 等针对非规则梁桥在地震作用下 伸缩缝处的碰撞现象，在建立考虑双边碰撞效应的简化动力分析模型的基础上， 采用非线性地震反应时程分析方法，研究了纵向地震作用下非规则梁桥伸缩缝处 的碰撞效应，并分析比较了双边碰撞与单边碰撞对桥梁结构位移的影响心羽。在梁 桥结构与环境岩土耦合作用对其地震破坏机制影响方面，国内学者韩强，杜修力， 刘晶波( 2 0 0 9 ) 研究了在双向地震激励下，考虑土一结构相互作用的l r b 隔震梁桥 结构体系的反应特性以及不同类型土对其隔震梁桥地震反应峰值的影响1 。李茜 ( 2 0 0 6 ) 等对两座高墩梁桥的地震响应进行分析，一座是连续一刚构组合梁桥，另一 座是刚构桥，同时讨论桩一土相互作用对高墩梁桥地震响应的影响口5 1 。国外学者 s p y r a k o s ( 1 9 9 0 ) 等研究- j 土结构相互作用对梁桥地震反应的影响啪h 捌。z h a n g j ， m a k r i sn ( 2 0 0 2 ) 对考虑土结构相互作用安装有阻尼器和隔震支座的桥梁的抗震 性能进行了分析评估嘲h 剐。c h a u d h a r y ( 2 0 0 1 ) 等分析了土结构相互作用对隔震桥梁 参数的影响啪1 。i a n a s t a s o p o u l o s ( 2 0 0 8 ) 等介绍了土与结构相互耦合作用的最新研究 现状m 1 。此外，国外学者对梁桥建模，耐震易损性和抗震设计方面也做了大量研 密 3 2 】一【3 7 】 九 。 比较分析上述文献，发现这些建立的梁桥地震破坏响应数值模拟模型，分别 从强度、变形和能量的角度分别分析了梁桥的破坏，但是它们都是主要以结构的 破坏为研究基础的，但是从本次汶川地震中不难发现，梁桥的地震结构破坏是不 可忽视的重要因素，但梁桥上部结构的落梁移位、变形碰撞、倒塌，往往是由地 震作用下下部结构与地基基础失稳所造成的，而这一点恰恰易被忽视。 1 2 2 梁桥安全评价 目前，从梁桥安全评价指标的选取上来说，主要有两类，一类是按评价目标 所包含的内容来选取，即梁桥的安全性包括梁桥承载力的安全性和承载状态的安 全性，只有两者都满足要求，才能保证梁桥的安全性，如付勇强( 2 0 0 9 ) 在进行梁 桥结构安全评价时选取了主梁、横向联系、支座、墩台盖梁、桥面铺装伸缩缝、 4第一章绪论 墩台身、地基冲刷、墩台基础等8 个梁桥部件作为一级指标，将承载力、变形、 裂缝和构造作为二级指标啪1 ；张拮( 2 0 0 6 ) 按承载能力、主要承重结构损伤和外观 缺损状况3 大因素共1 3 个指标分析了梁桥的健康状态啪1 ；刘文龙( 2 0 0 5 ) 则提出承 载能力、表观缺损和主要承重构件耐久性损伤等3 大因素共1 6 个评价指标研究了 梁桥安全评估h 们；另一类是按评价目标本身的结构层次来选取，即梁桥可分为上 部结构、下部结构和地基基础等，通过评价各个结构构件的安全性，最后来综合 评定梁桥的安全性，如公路桥涵养护规范( j t g _ h l l 一2 0 0 4 ) 1 选取了上部主要 承重构件、上部一般承重构件、支座、桥墩及基础、桥台及基础、地基冲刷、伸 缩缝等等1 7 个梁桥部件作为桥梁技术状况评价指标；杨则英则用上部结构安 全性、传力结构安全性和下部结构安全性3 大影响因素综合分析了梁桥的整体安 全性m 1 。而从梁桥安全评价的分析计算方法上来分，主要有层次分析法、模糊综 合分析法h 3 1 、物元可拓分析法h 躬，和近年来流行兴起的神经网络分析法m 1 ，还有 学者将两种方法综合使用。 通过对上述文献的分析可以看出，目前对梁桥安全评价还是以结构安全为主， 对于场地条件、结构和地基耦合对安全的影响、地基基础等安全评价因素考虑不 多，而且往往将地震对梁桥安全评价的影响忽略掉，这一点对于强震区梁桥安全 评价又是至关重要的。所以，本项目致力于将地震、场地条件、地基基础等因素 考虑进来，对强震区梁桥的安全评价进行研究。 1 2 3 梁桥抗震防护技术 针对梁桥在地震中的震害类型，目前，国内外专家学者主要从梁桥上部结构、 下部结构和地基基础等方面对梁桥抗震技术进行了研究。对于梁桥上部结构主要 是防止在地震中发生移位落梁破坏。目前主要有在伸缩缝、支座处设置限位器 柚卜嘲，在桥墩、桥台处安置拉杆或挡块h 矧，延长支撑长度嘲1 ，和设置抗震耳销 h 别等措施来限制地震中梁体位移使其不致落梁破坏。而对于梁桥下部结构的抗 震防护，主要是针对桥墩和桥台的抗震防护，因为往往在地震中桥墩易发生剪切、 弯曲破坏等，桥台易开裂沉降，从而导致梁体坍塌的严重后果。现阶段常用的桥 墩抗震防护技术有钢套管、预应力钢绞线、f r p 复合材料防护法和增大墩截面等 一嘲，都是通过增加桥墩的抗剪抗弯能力来达到抗震的目的；目前桥台抗震技术 主要有沉降板保证桥台稳定性、土层锚杆或重力式锚杆减小或避免桥台的纵、横 向位移、台前增设扶壁、台后增设挡墙等等。最后，对于梁桥地基基础的抗震， 由于基础一般都埋在土以下，而地基的抗震加固工程繁冗庞杂，效果还不一定很 好。经济实用的基础抗震防护方法现在处于研究、开发和验证阶段。目前常用的 主要有增大基础、增加桥墩数量、把基础锚固于土中、外加围裙法和预应力锚索 第一章绪论 5 加固等等抗震措施。 纵观目前梁桥抗震防护技术，主要都是从结构上防护着手，地基基础的抗震 防护研究较少，方法不成熟，而且大多数都是以提高结构抗剪抗弯能力的“硬抗 思想为主，在以柔克刚的“软抗方面研究不够。但往往在强震中地基基础的抗 震性能的好坏直接关系到上部结构的倒塌落梁破坏，从而导致严重后果。所以， 对梁桥下部地基基础从柔性思维方面来研究其抗震防护技术还是十分有必要的和 值得的。 1 3 本文研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 从国内外已有研究成果可知：专门针对强震区梁桥下部结构及地基基础的耦 合破坏机理研究，强震区公路梁桥考虑地震、地基基础、场地等因素的安全评价 理论研究，以及地震前后的梁桥下部结构的抗震防护维修加固等方面的研究报导 较为少见；而从本次汶川地震中可以看出，在强震区由梁桥下部结构引起地震破 坏严重不容忽视，而地震、地基基础、场地条件等等因素对梁桥的安全评价是至 关重要的，目前梁桥下部结构抗震防护技术的开发尚处在初级阶段尚需发展。 因此，结合国内外研究现状，并依据汶川地震强震区梁桥破坏的实际情况。 确定了以现场考察、资料分析与理论研究为主体，以桥梁下部结构研究为重点， 坚持以破坏机理研究为基础、安全评价系统研究为手段、抗震防护新技术研究为 目的的总体研究思路，并确定了本项目的研究内容主要包括三大部分。 第一部分：为强震区梁桥破坏机理的研究，主要针对下部结构和地基基础； 第二部分：为强震区梁桥安全评价的研究，主要通过对强震区梁桥所处特殊 的山区地势环境和地震对梁桥安全性的影响来选取评价指标； 第三部分：为强震区梁桥抗震防护技术的开发。 具体内容如下： 通过资料检索、现场调查等提炼震害类型，归纳梁桥震害形成原因，对梁 桥不同部位地震破坏进行阐述，得出了每一种震害破坏机理及过程演绎。采用数 值模拟方法，对强震区梁桥全桥、桥台基础地震位移动力响应进行研究，记录振 动破坏过程，揭示了梁桥变形与破坏的敏感部位及其破坏过程，并总结其规律。 从地震、地基条件、地形地貌、气候条件、结构形式、基础埋深、损伤状 况等方面，遴选震害梁桥的安全评价因子，并采用层次分析法量化评价因子的权 重；最终将层次分析法与模糊数学理论相结合，构建震害梁桥安全性评价系统， 并采用汶川大地震期间产生的震害梁桥进行验证分析。 遵循强震区桥梁破坏机理，从梁桥结构与环境岩土介质动力耦合性能、地 6第一章绪论 基基础型式等方面入手，开发2 种新型抗震防护技术，考虑梁桥加固方法的特点 和适应性，确定具有针对性的震后梁桥快速加固方案和长期加固方案，并建立相 应的计算方法、设计方法及施工方法。 1 3 2 技术路线 由研究内容，本文制定了详细的研究大纲。根据现场考察、资料收集、数值 仿真模拟，对强震区梁桥破坏过程进行仿真模拟，构建强震区震害梁桥安全性评 价方法，开发新型抗震防护技术。具体的研究路线见图1 3 。 图1 3 本文研究技术路线图 f i 9 1 3t h es t u d yf l o wc h a r tf o rt h i sp a p e r 第二章强震区梁桥破坏机理 7 第二章强震区梁桥破坏机理 汶川地震中强震区梁桥的破坏根据其桥型、构造特征、地质背景和震源机制 的不同而具有不同特点。而认识其形成和破坏机制对强震区梁桥抗震稳定性分析、 安全评价和抗震防护技术的有效性和针对性具有重要意义。鉴于此，为了更好的 研究强震区梁桥破坏的普遍规律，在对汶川大地震中梁桥震害的归纳总结下，将 汶川地震中梁桥破坏机理研究分为强震区梁桥震害情况、梁桥震动破坏过程和混 凝土梁桥地震动力响应有限元分析等三个方面，分别予以阐释。以期揭示强震区 公路梁桥破坏的动力过程和机理。 2 1 强震区梁桥震害情况 2 1 1 支座震害 汶川地震中强震区公路梁桥大都采用的板式橡胶支座，特别是一些减震支座 的应用，能在一定程度上减小梁桥结构的地震反应。但这次对梁桥支座的震害调 查中发现，一些梁桥的支座安装不当，不但没起到减震效果，反而增大落梁发生 几率嗍。如平武县南坝大桥和北川县龙尾大桥由于采用的板式橡胶支座在施工中浮 放于桥墩盖梁和桥面梁之间，支座没有上下联结钢板，更未见支座和盖梁与桥面 梁间的任何联结，因此客观上造成落梁发生。根据汶川地震中公路梁桥支座的破 坏情况，支座的破坏形式嘲1 主要表现为移位破坏、剪切变形破坏等如图2 1 。 ( a ) 支座剪切破坏 ( b ) 支座移位破坏 图2 1 支座破坏形式 f i 9 2 1t h ef a i l u r em o d e so f t h eb e a r i n g s 一 8 第二章强震区梁桥破坏机理 、。 2 1 2 墩柱震害 ： 山区公路梁桥中多采用柱式桥墩，一般可分为独柱、双柱和多柱等形式，它 由承台、柱式墩身和盖梁组成，墩身一般用c 2 0 - - - c 3 0 的钢筋混凝土构件组成。 ( a ) 墩底剪切破坏( b ) 墩底弯剪破坏 ( c ) 墩底压溃 图2 2 百花大桥墩柱破坏情况 f i 9 2 2t h ep i e r s d a m a g eo f t h eb a i h u ab r i d g e 本次强震区墩柱震害主要有两种形式：第一种是桥墩截面较小，剪跨比较大 时因墩柱弯曲强度或延性不足所致使桥墩的弯曲破坏，典型如图2 2 ( c ) 所示为 百花大桥桥墩抗弯能力不足而导致墩底保护混凝土的剥落损坏；第二种为墩柱发 生剪切或弯剪等脆性破坏，如图2 2 ( a ) 、( b ) 所示，为百花大桥墩底剪切破坏和 弯剪破坏情况。 2 1 3 桥台震害 此次汶川地震强震区桥台发生破坏的梁桥比较多见，如图2 3 和图2 4 为桥 台开裂变形破坏的具体情况。桥台破坏的原因主要有2 种：一是主梁与桥台剧烈 的相互作用所致，多表现为胸墙、翼墙混凝土碎裂，如高原大桥、寿江大桥、庙 子坪大桥等；二是由于桥台地基滑移、震陷等导致桥台开裂，都汶公路上受损梁 桥有数十座，这些梁桥很多建于山腰处，由于地基土向山下滑移导致桥台或桥墩 基础移位的梁桥不在少数，如百花大桥等。 第二章强震区梁桥破坏机理9 图2 3 石匣子中桥桥台开裂图2 4 川西大桥桥台变形错位 f i 醇3t h ec r a z eo f t h ea b u l r n e n tf i 9 2 4t h ed e f o r m a t i o nd a m a g eo f t h e o ns h ix i az ib r i d g ea b u t m e n to nc h u a nx ib r i d g e 2 1 4 梁桥基础震害 梁桥基础震害是国内外许多地震的重要震害现象之一，地基失效( 如土体滑 移和砂土液化) 是梁桥基础产生震害的主要原因，汶川地震中山区公路梁桥基础 破坏大部分是由于在强烈地震作用下地基土体滑移所致。扩大基础的震害一般由 地基失效引起，桩基础的震害，除了地基失效这一主要原因外，还有上部结构传 下来的惯性力所引起的桩基剪切、弯曲破坏，更有桩基设计不当所引起的震害， 如桩基没有深入稳定土层足够长度，桩顶与承台联结构造措施不足等，梁桥基础 的震害很大程度上与梁桥所处的地质环境( 地基力学性质) 有关，总之，在软弱 地基上，采用桩基础的结构往往比无桩基础的结构具有更好的抗震性能。同时， 桩基损伤具有极大的隐蔽性，很多桩基的损伤是通过上部结构的损伤体现出来的。 2 1 5 其它震害 梁体移位( 落梁) 梁体移位是地震后梁桥的典型病害( 如图2 5 和图2 6 ) ，位于极重灾区的简 支梁桥均有不同程度的纵向或横向移位，移位多发生在伸缩缝位置。若地震作用 下梁体移位严重，加上梁桥限位能力不足则可进一步导致落梁破坏，本次汶川大 地震虽然震级高，超过桥梁设防烈度的范围很大，但从震害情况看，梁体塌落的 桥梁并不多，庙子坪大桥、彻底关大桥等发生塌落( 见图2 8 ) 的桥梁均位于震中 附近、主断裂带上，即使在极重灾区，仍有部分梁桥梁体未发生垮塌，可以限载 后通行。单跨简支梁桥极少发生落梁破坏，大多集中在强震区的多跨简支梁桥上。 由地震导致的落梁本次均表现为顺桥梁落梁，如位于南坝镇的涪江桥，该桥梁体 垮塌( 见图2 7 ) 。 l o 囊 、- 第二章强震区梁桥破坏机理 图2 5k 2 + 9 5 4 7 2 8 中桥梁体移位 f i 9 2 5t h eb e a mm o v i n go nt h e k 2 + 9 5 4 7 2 8b r i d g e 图2 6 彻底关大桥梁体移位 f i 9 2 6t h eb e a mm o v i n go nt h e c h e d i g u a nb r i d g e 图2 7 南坝涪江桥垮塌图2 8 彻底关大桥梁体垮塌 f i 醇7f a l lg i r d e ro f n a n b ab d d g ef i 9 2 8f a l lg i r d e ro f c b e d i g u a n 碰撞震害 由于低估了地震位移，使得相邻结构之间的预留间距不足导致冲击破坏发生。 图2 9 为白沙大桥由于伸缩缝处位移不足导致的梁端部的碰撞损伤。如果相邻结 构的间距过小，在地震中就可能会发生碰撞，产生相当大的撞击力，从而使梁桥 结构受到损伤。比较典型的主要有：相邻上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰 撞以及相邻桥梁间碰撞。不管用什么建筑材料，梁桥都会发生这类损伤，汶川地 震中也不例外。 图2 9 白沙大桥梁端碰撞