（水工结构工程专业论文）强震区拱桥破坏机理、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 删 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。 学位论文作者签名：封秉描 日期：2 。i j 年弓月；1 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：多：】菩“ 日期：厶l f 年弓月5 j 日 指导教师签名 日期：删年 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：列素她 日期：bj 1 年3 月芎日 指导教师签名： 日期：少，年 乡月多日 摘要 本论文研究过程中，以现场考察、资料分析与理论研究为主体，以拱桥下部结 构研究为重点，以四川汶川周边代表性拱桥为研究对象，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， 遵循研究成果的实用性原则，融合理论分析与数值模拟等研究方法于一体，实现 结构动力学、岩土力学、地貌学、工程防治学等多学科的交叉、融合与创新。历 经3 年时间( 2 0 0 8 2 0 1 0 ) ，取得了如下创新性成果： ( 1 ) 通过等截面圆弧拱的平面挠曲基本方程，推导出拱桥纵向震动动力特征参 数公式，得出拱桥纵向震动主要影响因素：拱弧长度、拱弧全开角、全桥重量、 拱截面抗弯刚度、拱上建筑重量比例，并据此分析各因素对拱圈纵向震动影响程 度大小。 ( 2 ) 由拱圈侧向弯扭固有振动方程引入横向地震力，得出拱桥横向地震振动方 程，并建立相应简化力学模型，用能量法推导出拱桥横向震动动力特性参数公式。 经过分析，矢跨比和拱上建筑重量比例两个参数是影响拱桥横向震动两大最主要 因素。 ( 3 ) 基于n e w m a r k 滑移理论及z c n g 和s t e e d m a n 转动块理论模型，建立滑移模 式、转动模式以及滑移与转动耦合位移模式下的台体震动位移计算模型，按m d 公式计算出滑移临界加速度和转动临界加速度，并最终提出台体震动位移计算方 法。 ( 4 ) 基于p r a n d t l 破坏面理论和c o u l o m b 楔体平衡条件，并考虑地震力和接触 面剪切摩擦的影响，采用m o n o n o b c o k a b e 地震公式，得出地震作用下地基承载力 计算公式，据此对地震下地基强度降低现象进行安全评定。 ( 5 ) 根据米塞斯流动法则，得到地震作用下桥台岸坡滑动面应变速度以及与滑 动线夹角，据此得出作用于岸坡各外力做功和塑性流动消耗的能量，依据外力所做 功与内部消耗能量相等的原则，最终推导出岸坡最大地震主动土压力及所对应滑 动面倾角。 ( 6 ) 采用有限元m i d a s c i v i l 7 0 分析了拱桥全桥、主拱圈、基础等失稳破坏机 制，发现台项两侧、拱圈拱顶至1 4 拱圈及桥体表面转折点为应力集中和位移突变 点。 ( 7 ) 在强震区拱桥安全评价指标构建原则的基础上，依据强震区拱桥的特点建 立了强震区拱桥安全评价指标体系以及量化方法，采用不确定层次分析法，并与 模糊综合评判法相耦合，建立了计算强震区拱桥安全体系评价系统。评价结果对 强震区拱桥的前期防护和后期修复都有一定的参考价值和指导意义。 ( 8 ) 针对强震区拱桥整体及局部安全性态，主要从下部结构及地基基础等方面 入手，研发了墩台液化地基膨胀桩挤压加固技术、桥台自平衡预应力对锚加固技 术、桥台减载支撑加固技术，并建立了相应的计算方法、设计方法及施工方法。 关键词：拱桥；强震区；破坏机理；安全评价；抗震防护技术 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h i sp r o j e c te x a m i n e s ，m a i n l yf r o mi n v e s t i g a t es c e n e ，d a t aa n a l y s i s a n dt h e o r yr e s e a r c h , a sa r c hs u b s t r u c t u r et ot h ef o c u s ，弱w e n c h u a nr e p r e s e n t a t i o na r c ht o t h er e s e a r c ho b j e c t ，i n s i s to nt h ef a i l u r em e c h a n i s mr e s e a r c ht ob a s e 、t h es a f e t y a s s e s s m e n ts y s t e mr e s e a r c ht om e a s u r e 、t h es e i s m i cp r o t e c t i o no fn e wt e c h n o l o g i e st o p u r p o s ef o rt h eo v e r a l lr e s e a r c hi d e a s ，f o l l o wt h ep r i n c i p l e so fr e s e a r c hp r a c t i c a l ， i n t e g r a t et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d st o g e t h e r ，a c h i e v e s t r u c t u r a ld y n a m i c s ，r o c km e c h a n i c s ，g e o m o r p h o l o g y ，e n g i n e e r i n gc o n t r o ls c i e n c ea r e m u l t i d i s c i p l i n a r y 、i n t e g r a t i o na n di n n o v a t i o n a f t e rt h r e ey e a r s ( 2 0 0 8 2 0 10 ) ，m a d et h e f o l l o w i n gi n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t s ： ( 1 ) t h r o u g ht h eb a s i ce q u a t i o n so fp l a n ed e f l e c t i o no fa r c hc i r c u l a rc r o s ss e c t i o n , d e r i v e da r c hv e r t i c a lm o t i o nd y n a m i cp a r a m e t e r sf o r m u l a , r e c e i v el o n g i t u d i n a ls h o c k m a i nf a c t o r s ：t h el e n g t ho fa r c 、t h ef u l la n g l eo fa r c 、t h ew e i g h to fa r c h 、t h ef l e x u r a l s t i f f n e s so f a r c hc r o s s - s e c t i o n 、t h er a t i oo f a r c hb u i l d i n gw e i g h t , a n da n a l y s i st h a tf a c t o r s i m p a c to nt h el e v e lo f a r c hl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n ( 2 ) b yt h ee q u a t i o no fa r c hl a t e r a lb e n d i n ga n dt o r s i o nv i b r a t i o ni n t r o d u c e dt h e h o r i z o n t a ls e i s m i cf o r c e s ，d r a w na r c hl a t e r a ls e i s m i cv i b r a t i o ne q u a t i o n ，a n de s t a b l i s ht h e c o r r e s p o n d i n gs i m p l i f i e d m e c h a n i c a lm o d e l ，u s et h ee n e r g yd e r i v ea r c hd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh o r i z o n t a lv i b r a t i o nf o r m u l a s a f t e ra n a l y s i s ，t h ep a r a m e t e r so fs p a n r a t i oa n dt h er a t i oo fa r c hc o n s t r u c t i o nw e i g h tw e r e t w o m o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c t t r a n s v e r s ev i b r a t i o n ( 3 ) b a s e do nn e w m a r ks l i d i n gb l o c kt h e o r ya n dz e n ga n ds t e e d m a nr o t a t i o nt h e o r y m o d e l ，e s t a b l i s hs l i d i n gm o d e ，r o t a t i o nm o d ea n dt h ep l a t f o r mb o d ys l i d i n ga n dr o t a t i o n a l c o u p l e dv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n tm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l ao fm - o ，c a l c u l a t et h e c r i t i c a ls l i d i n ga c c e l e r a t i o na n dt h ec r i t i c a lr o t a t i o na c c e l e r a t i o n , a n df i n a l l yp r o p o s e d p l a t f o r mb o d yv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t c a l c u l a t i o n ( 4 ) b a s e do np r a n d t lf a i l u r es u r f a c ea n dc o u l o m bw e d g et h e o r ye q u i l i b r i u mc o n d i t i o n , c o n s i d es e i s m i cf o r c ea n dc o n t a c ts u r f a c ef r i c t i o ni m p a c t , u s em o n o n o b e o k a b cf o r m u l a , d e r i v e dg r o u n db e a r i n gc a p a c i t yf o r m u l au n d e re a r t h q u a k e ，a n dw h i c hc a ns a f e t y a s s e s s m e n ts o i ls t r e n g t hr e d u c e d ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h em i s e sf l o wr u l e ，g e ta b u t m e n ts l o p es t r a i nr a t ea n ds l i d i n gs u r f a c e a n dl i n ea n g l eu n d e re a r t h q u a k e ，u n d e rw h i c hc o m et ow o r kt h a tf o r c ea c t i n go ns l o p ea n d e n e r g yt h a tp l a s t i cf l o wc o n s u m e ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so f e x t e r n a lf o r c e sa c t i n ga n d i n t e r n a lc o n s u m p t i o no fe n e r g ye q u i v a l e n t , u l t i m a t e l yd e r i v et h eg r e a t e s ts e i s m i ca c t i v e e a r t hp r e s s u r ea n di t sc o r r e s p o n d i n gs l i ps u r f a c ea n g l e ( 6 ) u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm i d a s c i v i l 7 0a n a l y z e da r c hb r i d g e 、t h em a i na r c ha n d f o u n d a t i o nt h a tu n s t a b l ef a i l u r em e c h a n i s m ，f o u n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dd i s p l a c e m e n t m u t a t i o ni nt h et o ps i d e so fa b u t m e n t 、t h ea r c hv a u l tt o1 4o ft h es u r f a c ea n db r i d g e t u r n i n gp o i n t ( 7 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fs a f e t ye v a l u a t i o ni n d e xc o n s t r u c t i n gi nt h ee a r t h q u a k e z o n e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a r t h q u a k ea r e a sa r c h , e s t a b l i s hs a f e t ye v a l u a t i o n i n d e xs y s t e ma n dq u a n t i t a t i v em e t h o d s ，u s ec a l c u l a t i n gm e t h o da n df u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nw e r ec o u p l i n g ，e s t a b l i s ha n dc a l c u l a t ea r c hs a f e t ya s s e s s m e n ts y s t e m t h e r e s u l t sh a sc e r t a i nf i x e dr e f e r e n c ev a l u ea n ds i g n i f i c a n c ef o rp r e - e a r t h q u a k ez o n e p r o t e c t i o na n dp o s t - a r c hb r i d g e ( 8 ) f o ra r c hw h o l ea n dl o c a ls e c u r i t ys t a t e s i nt h ee a r t h q u a k ea r e a , f o c u so nt o s u b s t r u c t u r ea n df o u n d a t i o n ,r e s e a r c ha n dd e v e l o p ee x p a n s i o np i l ec o m p r e s s i o n r e i n f o r c e m e n ti nl i q u e f i e df o u n d a t i o n 、a b u t m e n tr e i n f o r c e db yt h ea n c h o rp r e s t r e s s e d s e l f - b a l a n c i n g 、a b u t m e n ts t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yb yc o n t a i n ss u p p o r t , a n de s t a b l i s h c o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d s 、d e s i g nm e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d s k e y w o r d s ：a r c hb r i d g e ；e a r t h q u a k ez o n e ；f a i l u r em e c h a n i s m ；s a f e t ya s s e s s m e n t ；e a r t h q u - a k ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y 目录 第一章绪论1 1 1 本文研究目的及意义1 1 2 拱桥抗震分析研究现状l 1 2 1 国内外拱桥抗震机理研究现状1 1 2 2 拱桥震害安全评价研究现状4 1 2 3 拱桥抗震防护研究现状5 1 3 本文研究内容6 1 4 研究路线7 第二章强震区拱桥破坏机理研究9 2 1 拱圈震动破坏机理9 2 1 1 拱圈震动破坏形态9 2 1 2 拱圈纵向地震振动分析1 0 2 1 3 拱圈横向地震振动分析1 5 2 1 4 算例分析1 9 2 2 墩台基础震动破坏机制2 1 2 2 1 墩台基础震动破坏形态2 1 2 2 2 桥台地震位移模式及计算方法2 l 2 2 3 算例分析2 5 2 3 环境介质震动破坏机理2 8 2 3 1 地基沉陷失效破坏机制2 8 2 3 2 岸坡震动滑移破坏机制3 1 2 3 3 算例分析3 5 2 4 混凝土拱桥地震破坏数值分析3 7 2 4 1 工程概况3 7 2 4 2 计算模型建立3 9 2 4 3 地震反应谱输入分析4 0 2 4 4 全桥震动破坏数值分析4 2 2 4 5 拱圈震动破坏数值分析4 7 2 4 6 桥台震动破坏数值分析5 3 2 5 本章小结5 8 第三章强震区拱桥安全评价研究6 0 3 1 拱桥震害安全评价分析方法6 0 3 2 层次分析法的缺陷不确定层次分析法的产生6 0 3 3 不确定判断矩阵及其权重计算6 1 3 3 1 区间数判断矩阵权重计算理论6 1 3 3 2 误差传递理论在权重计算中的应用6 2 3 3 3 区间数判断矩阵权重计算步骤与示例6 3 3 4 强震区拱桥安全评价指标权重及等级向量确定6 5 3 4 1 评价指标体系层次结构6 5 3 4 2 建立拱桥安全评价因素集6 6 3 4 3 强震区拱桥指标权重确定6 6 3 4 4 强震区拱桥底层指标等级向量确定6 6 3 5 工程算例6 6 3 5 1 震害检测结果6 6 3 5 2 建立因素评价集6 6 3 5 3 一级模糊综合评价6 6 3 5 4 二级模糊综合评价6 6 3 5 5 三级模糊综合评价6 6 3 6 本章小结6 6 第四章强震区拱桥抗震防护技术研究6 6 4 1 概述6 6 4 2 拱桥抗震防护基本原则6 6 4 3 拱桥常用抗震防护技术6 6 4 4 桥梁墩台液化地基膨胀桩挤压加固技术6 6 4 5 桥台自平衡预应力对锚加固技术6 6 4 6 桥台减载支撑加固技术6 6 4 7 本章小结6 6 第五章结论与建议6 6 5 1 结论：6 6 5 2 建议6 6 致谢1 0 1 参考文献1 0 2 附录1 0 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究目的及意义 四川汶川大地震灾难警示我们，强震区地震灾害后期应急处置中，桥梁的抗震 性能研究及震害桥梁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， 汶川大地震共造成6 1 4 0 座桥梁受损n 棚，如都江堰汶川高速公路的庙子坪大桥、 百花大桥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h 吲。 拱桥以其经济、美观、耐久得到人们的青睐，成为我国西南山区最常用的桥型 之一。拱桥常常作为公路交通的枢纽，一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的 生命财产及间接经济损失是巨大的。目前，国内外对拱桥抗震性能进行了大量研 究，着眼点主要集中在拱桥结构本身，而在强震区环境岩土介质的动力性能、强 震区拱桥下部结构与地基基础的耦合作用、地震次生灾害对拱桥影响等方面研究 较少呻1 ，而几次大地震证明单一注重上部结构抗震防护的拱桥在地震发生后还是 会发生严重毁损。因此，加强强震区拱桥上部结构与下部结构及地基之间耦合破 坏机理的研究，推荐强震区适宜的公路拱桥结构型式，构建震害拱桥安全评价理 论，开发震害拱桥防护技术，对指导强震区拱桥建设维护，具有重要的现实意义。 1 2 拱桥抗震分析研究现状 1 2 1 国内外拱桥抗震机理研究现状 ( 1 ) 国外拱桥抗震机理 自从1 8 9 9 年日本学者大房森吉n 们首次提出用于抗震设计的静力法以来，拱桥 结构地震反应分析方法历经了从静力法到动力的反应谱法和动态时程分析法的演 变过程n 1 1 ，依据所考虑的地震动的特点，拱桥地震反应可以分为两大类：即确定 性方法和随机振动方法，其中，确定性方法使用地震记录或由其它方法确定的地 震波来求出结构的反应，随机振动方法则把地震视为随机过程，把具有统计性质 的地震动作用在结构上，来求出结构的反应。确定性方法又可进一步分为静力法、 拟静力法、反应谱法、动态时程分析法，其中，由于地震动的随机性，拟静力法 应用比较少n 幻。到目前为止，绝大多数国家现行的拱桥抗震设计规范均采用确定 性方法。 在现阶段拱桥抗震设计中，弹性静力法一直是一种基本的计算方法。尽管对这 种方法在理论上的基本缺陷早有认识，但是由于缺乏对地震动特性的认识和结构 振动分析理论的了解，所以基于动力学的地震反应分析理论一直未能得到发展。 l 2 第一章绪论 在美国，由于加利福尼亚州经常遭受地震的困扰，所以促使加州对地震现象开展 专门的调查研究，并在1 9 3 0 年之后，开始逐步认识到查明地震动特性对确立合理 的抗震设计方法的重要意义。从1 9 3 1 年起，美国开始逐步进行强震观测台网的布 置，并在1 9 4 0 年帝国峡谷( i m p e d a lv a l l e y ) 地震中成功收集了包括埃尔森特罗( e l c e n t r o ) 地震记录在内的大量地震记录资料。这些强震记录，为以后抗震动力学方 法的发展提供了宝贵的资料；1 9 4 3 年，比奥特n 甜( m a b i o t ) 提出了反应谱的概 念，并给出世界上第一条弹性反应谱曲线( 即单自由度弹性振子对应某一个强震 记录情况下，体系的周期与绝对加速度、相对速度和相对位移的最大反应量之间 的关系曲线) ；1 9 4 5 年，毫森纳n 町( g w h o u s n c r ) 提出基于加速度反应谱曲线的 弹性反应谱法；1 9 5 6 年，纽马克口的( n m n c w m a r k ) 率先把该法应用于墨西哥城 拉丁美洲大厦的抗震设计，在第二年发生里氏8 级的墨西哥大地震中，周围建筑 破坏殆尽，惟有该建筑保持完好，这一成功的范例，使弹性反应谱法获得了极大 的声誉。自1 9 5 8 年第一届世界地震工程会议之后，这一方法被许多国家所接受， 并逐渐被采纳应用到结构抗震设计规范中。 在弹性反应谱的概念提出不久之后，就提出了非线性反应谱的概念，试图将这 样一种简单的概念应用于非线性地震反应分析中。但目前除了新西兰规范以外， 非线性反应谱在其他国家的结构抗震设计规范中基本没有直接得到应用。 借助于强震台网收集到的地震记录和模拟电子计算机，毫森纳在2 0 世纪5 0 年 代末开始把地震记录输入到结构上，来计算结构的地震反应，这种方法即为最初 的动态时程分析方法。日本则于6 0 年代初，在武腾清教授n 印的领导下，也开始进 行这种研究。随着数字计算机的发明，动态时程分析方法在国外6 0 - 7 0 年代得到 迅速发展，在国内大量开展这方面的研究工作，则始于7 0 年代末和8 0 年代初。 迄今为止，结构非线性动力时程分析方法得到大量研究，虽然计算方法已经相当 成熟，但仍然存在一些难于解决的问题n 。这些问题在很大程度上影响了非线性 动力时程分析的结果，因此，一般要求能够对分析结果进行解释，并与反应谱分 析结果进行比较和校核( 在线性范围内) 。然而，随着计算方法的不断进步和对结 构地震反应认识的不断深入，动态时程分析方法已越来越受到重视。对体系复杂 的拱桥的非线性地震反应，动态时程分析方法还是理论上唯一可行的分析方法u 钔， 最新的日本与美国规范都已将此方法列为规范采用的方法之一。 当前国外在拱桥结构的抗震分析中，反应谱方法仍然是最基本的方法，但是在 应用时必须假定所有的支点按完全相同的规律运动n 引，这对于跨度不大的拱桥是 可以的，但是对于跨度较大的拱桥就未必合适了，因为这时必须考虑由于地面变 形而导致结构支点之间的相对运动，亦即要考虑多点不均匀激励舢副，包括因有限 大小的地震波速到达不同支点时发生的时间延迟( 行波效应) ；以及因复杂的震源 第一章绪论 发震机理和地震波在不均匀土壤介质中不规则的反射折射等原因而导致的支点激 励之间的部分相干效应；有时还要考虑因不同支点处场地土的性质不同而造成的 局部效应等等汹伽，这些复杂因素用通常的反应谱方法难于计算。目前对付这一困 难的常用手段是时间历程法，但时间历程法除了计算量过于庞大外，还有一个缺点 就是用确定性的时间历程来模拟尚未发生的地震，而理论上应取许多条地面运动 加速度盐线作为样本分别进行计算后进行统计分析才较为合理，事实上，由于受 到计算效率低的制约，又无法取太多的时间历程进行计算。 随机振动方法( 主要是其中的功率谱方法) 来处理上述难题，在近三十年来在 国内外受到了广泛的重视。加州大学伯克利分校在8 0 年代初曾将核电站管线系统 作了较大简化后分别从时间域和频率域研究了其在不均匀场地激励下的安全性问 题瞵1 ，并得出结论：忽略参振振型之间的相关性和场地不均匀性都会导致很大的 误差；随机振动方法比反应谱方法更精确，比时间历程法更高效。英国土木工程 协会主席r t s e v e m 等后来也分别从时间域和频率域出发研究了多座桥梁的抗 震性能，但他认为随机振动方法难于求解，建议用反应谱方法来代替。美国从平 稳随机振动的基本方程出发来研究这类多点不均匀随机激励问题，但在计算上同 样遇到了很大的困难。 ( 2 ) 国内拱桥抗震机理 目前，国内学者也对拱桥在地震作用下的破坏机理、在一致激励和行波效应下 的地震反应计算、结构抗震设计概念和抗震措施等方面作了一定的研究，取得了 一定的科研成果。其中赵艳林等利用灰色聚类方法对拱桥在常见地震烈度下的震 害进行了预测心刀；李青宁等通过分析转动分量与平动分量输入时的差别，并考虑 场地转动的影响，提出了比较切合实际的扭转分量输入的动力模型，给出了此模 型的计算方法，根据n e v a n a r k 提出的转动分量公式由水平地震波时程值得到了转 动分量的时程值，运用数学软件m a t l a b 语言自编有限元程序，通过算例对比模型 与一般多支承输入模型进行时程分析一1 ；徐艳等仿照拱结构静力稳定问题的分 类，提出了钢管混凝土拱桥在地震作用下基于l i a p u n o v 运动稳定性定义的动力第 一类稳定的概念和基于极值理论的动力第二类稳定的概念，并研究其动力稳定问 题舢；胡世德等提出基于“统一理论 的钢管混凝土拱桥弹塑性地震响应分析 方法，利用钢管混凝土构件“统一理论 双线性力一变形关系，运用集中塑性铰 模型，建立了钢管混凝土构件梁柱单元，在此基础上开发了钢管混凝土拱桥弹塑 性地震响应分析程序3 2 。3 朝。王建军等基于有限元理论，应用大质量法( l 删) 和拱 脚固定法建立大跨度钢箱提篮连拱桥的空间动力计算模型m 1 ；赵灿晖等研究了大 跨度钢管混凝土拱桥在同步激励和多点激励作用下的非线性地震响应特性及主要 影响因素一1 ；彭大文等以石潭溪大桥为研究对象，通过建立空间结构模型计算 4 第一章绪论 分析了中承式钢管混凝土肋拱桥的动力特性1 ；苏虹等提出一种基于钢管混凝土 统一理论，将钢管混凝土作为一种材料，根据其构件力学性能指标进行地震响应 分析的方法啪1 。 1 2 2 拱桥震害安全评价研究现状 既有拱桥在地震荷载下不可避免地会出现各种损伤现象，使结构承载能力与安 全度降低，带损伤拱桥的承载力评估比设计新桥复杂得多。国内外对拱桥的安全 评估进行了大量的研究，做了大量的模型及实桥实验，并试图用各种数值分析的 方法模拟拱桥的受荷行为，从不同的角度遴选出震害拱桥的安全评价因子，建立 拱桥地震安全评价理论。例如，在英国的公路网中，大多数拱桥是在1 7 世纪到 1 9 世纪修建的，当时考虑的地震荷载远小于现在，据估计，近期在英国有超过6 万座公路桥梁需要重新进行安全评价，因此英国积极开展既有拱桥的评估研究， 研究合理挖掘既有拱桥的抗震能力，其研究成果指出h ，现有的评估方法是保守 的，这些方法的改善将极大提高既有拱桥的抗震安全储备。 多年来，国内外学者在拱桥抗震能力研究中提出了带损伤拱桥安全评估方法， 各方法之间存在着一定的联系和区别h 羽。这些方法可归纳为几类h 洲1 ：外观调查法； 专家系统法和专家意见调查；分析计算法；基于荷载试验法；基于检测的拱桥承 载能力评定方法；基于结构可靠度理论的方法；基于损伤力学和疲劳断裂的方法。 现把各种方法简述如下： ( 1 ) 外观调查法 外观调查法就是由有经验的技术人员对带损伤拱桥进行详细检查，根据检查 结果对拱桥质量进行评定。美国联邦公路局( f h w a ) 将拱桥外观检查的损伤由坏 到好划分为十个等级，技术人员可根据损伤位置和损伤程度综合评分，再与标准 对照确定拱桥技术状况h 硼。 通过此种方法仅能对结构进行定性评估，不能给出定量的损伤程度，且人为 主观因素较多，但这种打分的方法为既有拱桥养护提供了很好的途径，并为公路 部门决策提供了基础资料。 ( 2 ) 专家系统法和专家意见调查 专家系统是一种模拟专家解决土木工程领域问题的计算机程序系统，用来进行 损伤诊断时，系统内部含有大量的混凝土桥梁损伤诊断知识与经验，专家系统利 用损伤诊断知识与经验进行损伤诊断m 1 。专家系统具有准确、效率高、不受环境 影响等优点，但混凝土结构的离散性和拱桥结构的多样性使得该系统难以推广。 ( 3 ) 分析计算法 分析计算法就是通过对实际拱桥进行详尽外观调查，并将调查资料结合拱桥结 构理论加以分析和计算，以分析计算结果对带损伤拱桥结构进行评定。 第一章绪论 5 ( 4 ) 荷载试验法 荷载试验法最大的优点是直观，拱桥能承受多大的地震动，有相应的荷载加载， 看拱桥各结构是否处于正常工作状态h 刀。该方法大多是非破坏性的，试验荷载基 本上是短期荷载，反映的是结构的短期行为，不能反映结构的极限性能、疲劳性 能以及在鉴定期内今后材料强度和结构响应的不定性以及耐久性检测指标等因素 对结构承载能力的影响，并且该方法没有考虑损伤位置和损伤程度，显得比较粗 糙。 ( 5 ) 基于检测的拱桥承载能力评定方法 根据结构表观质量检查结果、材质状况检测试验结果和活载调查结果，引入承 载能力恶化系数、截面折减系数和活载影响修正系数，进行结构承载能力检算分 析。该方法没有考虑拱上建筑联合作用对拱桥抗震能力的贡献，评定结果偏于保 守。 ( 6 ) 基于结构可靠度理论的方法 该方法将研究对象的可靠性指标作为评估的决定性因素，其可靠度理论能有效 改善状态评价的手段。但可靠度理论在拱桥技术状态评估中的应用尚处于初级阶 段，重点放在拱桥抗震能力评估方面，对于构件的失效评估能较好实现，但对于 整体结构的失效评估尚不成熟，对结构失效模式的确定也还有待进一步研究呻1 。 ( 7 ) 基于损伤力学和疲劳断裂的方法 损伤力学认为材料内部某点出现损伤是由于该点应变值超过了门槛值，所造成 的变形不能愈合，由此带来能量耗散。目前损伤力学在复合材料中应用比较成功， 但用损伤能量释放率来评定混凝土材料的失效尚需细致的试验和理论研究。 综上所述，国内外对拱桥抗震安全评价已进行了大量的研究，但都不能从根本 上精确评价拱桥特点，特别是目前规范对实腹式圬工拱桥的抗震能力评定结果过 于保守。 1 2 3 拱桥抗震防护研究现状 目前拱桥加固方法和技术很多，但归根结底，主要还是采用减小主拱圈截面内 力，增大主拱圈容许应力或两者兼备的方法对拱桥进行防护加固“蝴1 。 ( 1 ) 增大主拱圈截面面积 对主拱圈采用苗喷混凝土、外包钢筋混凝土等加固方法，都是采用增大拱圈截 面的方法加固，在截面增大的同时，主拱圈截面的拉( 压) 应力明显地减小，保 证了结构的安全可靠，提高结构的抗震能力。同时，可通过调整截面加厚厚度来 调整拱圈刚度的变化，来改善活载作用下主拱圈控制截面的内力分布畸刳。 ( 2 ) 增加拱圈的强度 对主拱圈采用粘贴钢板、钢筋、碳纤维布等高强度材料，都是增加主拱圈的强 6第一章绪论 度的加固方法。此方法的目的是使荷载对主拱圈产生的拉应力小于补强材料的强 度，在不增加恒载的情况下，取得提高构件的抗拉能力，以及减少裂缝扩展的效 果，从而达到加固主拱圈，提高抗震能力的目的 ( 3 ) 改善拱上建筑的现状 拱上建筑包括拱上侧墙、护拱、拱上填料、桥面铺装等，其强度和刚度对拱桥 的抗震能力的影响非常大，通过改善拱上建筑的现状，如改变桥面铺装的形式、 加固侧墙、加强拱上建筑与主拱圈的联结等，均能间接地提高拱桥的抗震能力呻1 。 ( 4 ) 增强横向联系 拱桥由拱肋、拱波、拱板等结构拼装而成，是典型的“集零为整 的结构，因 此保证其整体性，特别是横向整体性显得十分重要。然而在早期修建的拱桥中， 较多的只是设置套管拉杆作为横向联结，其刚度很差，常导致主拱圈的各肋受力 不均匀，大大降低了拱桥的抗震潜力，因此加强拱桥的横向联结，是其补强加固 的重要技术措施之一啤1 ，其在改善结构受力的同时，有效地提高了其抗震能力。 ( 5 ) 改变结构体系，减小主拱圈的内力 对一些拱上建筑损坏严重而主拱圈质量尚好的拱桥，可以采用改变结构体系的 方法进行改造，以恢复或提高结构的抗震能力。常用的有粱拱结合，或将原桥重 力式拱式拱上建筑改变为轻型的桁架或刚架哺翮。通过以上措施，一方面改变主拱 圈的受力体系，另一方面采用轻型拱上建筑而减轻其拱上恒载重量，从而改善拱 桥的受力条件。 ( 6 ) 减轻拱上建筑恒载重量，减小主拱圈的内力 减轻拱上建筑重量是一种调整拱上恒载分布的手段，目的是为了恢复和提高原 桥的抗震能力，调整拱上恒载分布是针对主拱圈变形过大，通过调整拱上恒载的 办法来调整拱轴线与压力线，从而减小主拱圈承受的恒载内力，达到加强主拱圈， 提高拱桥抗震能力的作用呻1 。 综上所述，无论采用何种加固方法和加固技术，基本原理都是为了减小主拱圈 承受拉应力。对于抗压性能极好的圬工拱或钢筋混凝土拱桥，减小了主拱圈的拉 应力，也就意味着提高了主拱圈的抗震能力。但是经过多次大地震，人们所采取 的这些措施还是没有从根本上解决拱桥的抗震问题。 1 3 本文研究内容 本文研究过程中，以现场考察、资料分析与理论研究为主体，以拱桥下部结构 研究为重点，以四川汶川周边代表性拱桥为研究对象，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，遵 循研究成果的实用性原则，融合理论分析与数值模拟等研究方法于一体，实现结 第一章绪论 7 构动力学、岩土力学、地貌学、工程防治学等多学科的交叉、融合与创新。论文 研究内容有： ( 1 ) 通过资料检索、现场调查等提炼震害类型，归纳出拱桥震害形成原因， 对拱桥不同部位地震破坏进行阐述，得出了其破坏机理及过程演绎。 ( 2 ) 采用数值模拟方法，对强震区拱桥全桥、主拱圈、桥台基础地震位移动 力响应进行研究，记录振动破坏过程，揭示了拱桥变形与破坏的敏感部位及其破 坏过程，并总结其规律。 ( 3 ) 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，遴选震害拱桥安全评价因子，基于专家系统法量化评价因子，并采 用不确定层次分析法量化评价因子的权重；将层次分析法与模糊数学理论相结合， 构建震害拱桥安全性评价系统，并采用汶川大地震期间产生的震害拱桥进行验证 分析。 ( 4 ) 遵循强震区拱桥破坏机理，从拱桥结构与环境岩土介质动力耦合效应、 地基基础型式等方面入手，开发2 3 种新型抗震防护技术，考虑拱桥加固方法的 特点和适应性，确定具有针对性的震后拱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 4 研究路线 由研究内容，本论文制定了详细的研究大纲。根据现场考察、资料收集、数值 仿真等方法，对强震区拱桥破坏机理进行研究，构建震害拱桥安全性评价系统， 开发新型抗震防护技术。具体的研究路线见图1 1 。 8第一章绪论 图1 1 本文研究技术路线 f i 9 1 1t h er o u t eo f r e s e a r c hp r o c e s so f t h i sp r o j e c t 第二章强震区拱桥破坏机理研究 9 第二章强震区拱桥破坏机理研究 拱桥以其经济、美观、耐久得到人们的青睐，成为我国西南山区最常用的桥型 之一。拱桥常常作为公路交通的枢纽，一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的 生命财产及间接经济损失是巨大的。在强烈地震时，拱桥周边地形地貌产生剧烈 变化，如地裂、断层等，河流两岸地层向河心滑移，河床砂土液化，地基失效， 拱桥墩台基础大量下沉或不均匀