从汶川地震桥梁震害看现行国内外桥梁的抗震设计方法(一)——抗震设防标准与地震计算

地震区的桥梁结构要进行抗震设计,所以地震发生后桥梁的破坏情况与抗震标准有密切的关系。为了解国外一些先进国家桥梁抗震设计规范的设防标准和设计方法,结合汶川地震桥梁的破坏情况,对我国、日本、美国、欧洲、新西兰等抗震规范的抗震设防标准、抗震等级和抗震计算方法进行了分析。所有国家的标准或规范都采用多个水准的抗震设计方法和多个抗震等级。对于不同抗震等级的桥梁,各国抗震考虑的方法是不同的,我国规范和美国规范采用不同的重要性系数同时考虑延性的影响,欧洲规范、新西兰规范只考虑重要性不考虑延性的影响,日本规范只考虑延性;在地震计算方法,各国采用的反应谱的形状相似,在考虑场地类别、强度折减及近场效应方面有所不同。     

东海大桥抗震性能分析研究

针对东海大桥主桥的抗震性能进行分析研究,基于两水准设防、两阶段的抗震设计思想,对主桥进行了抗震分析.同时考虑了支座的非线性、拉索的几何非线性和墩柱的非线性等对结构抗震性能的影响.研究结果表明,东海大桥主桥的抗震性能满足预期的设计性能目标.     

承插式连接预制拼装桥墩抗震性能试验研究

为研究不同连接构造、轴压比和承插深度对承插式连接预制拼装桥墩(简称“承插式桥墩”)抗震性能的影响,制作1组现浇桥墩试件和3组承插式桥墩试件开展拟静力试验。对比试件破坏模式、滞回曲线、骨架曲线及特征值、耗能能力、刚度特性和残余位移、纵筋应变,分析承插式桥墩与现浇桥墩抗震性能差异以及增设钢榫进行结构优化后桥墩抗震性能改善效果。结果表明：承插式桥墩与现浇桥墩试件破坏模式、损伤范围、承载能力、耗能能力、残余位移和钢筋应变沿梁高分布相近;提高承插式桥墩轴压比,能提高桥墩承载能力,降低延性和累积耗能能力,破坏时残余位移远小于其它构件,具有可靠的自复位能力;提高承插深度,会增大桥墩承载能力和耗能能力;墩底增设钢榫能增强承插式桥墩与承台间的连接,承载能力、延性、耗能能力等与承插式和现浇桥墩保持一致,但各加载位移下的累积耗能较高,有助于提高承插式桥墩的耗能能力,具有良好的抗震性能。     

新、旧桥梁抗震设计规范实桥计算比较

为研究桥梁抗震性能,以山西风陵渡黄河公路特大桥的加固抗震设计为例,对89抗震规范和08抗震细则中各项规定进行计算、分析和比较,结果表明用89抗震规范和08抗震细则进行抗震计算结果出入较大.08抗震细则采用了两水准、两阶段设计,由单一的强度抗震设计修改为强度和变形双重指标控制的抗震设计;修订了水平设计加速度反应谱,增加了场地系数、阻尼调整系数、竖向设计加速度反应谱等内容,增加了地震作用分量组合、设计地震动时程等有关规定,取消了89规范中概念模糊的综合影响系数,引入了延性抗震设计和能力保护设计思想,从设计思想上比89规范考虑的更为全面、细致和安全,但参数取值是否合理,值得商榷.     

空心矩形薄壁墩延性抗震性能试验

为了深入研究矩形截面且空心薄壁桥墩的延性抗震性能,对4个模型墩在恒定的轴压和循环反复水平荷载作用下进行了拟静力试验。探讨了薄壁墩在压、弯、剪共同作用下的破坏形态、位移延性和耗能能力,考虑轴压比、配箍率2个参数对结构极限承载力和延性性能的影响。试验结果表明:模型墩的破坏形式为弯曲破坏,位移延性系数介于3.61~5.56之间;配箍率是影响桥墩延性抗震性能的主要因素,随其值的增加位移延性系数增大,箍筋能显著提高试件的延性和耗能能力;随着轴压比的提高,试件的承载力有所降低,后期变形能力减小,抗震性能越来越差;建立了具有8个控制点的恢复力模型,并给出了各控制点的计算公式。     

碳纤维布加固严重损伤混凝土框架抗震性能试验研究

对1榀达到极限承载力的钢筋混凝土框架进行了CFRP加固,对加固后的框架结构进行了模拟地震作用的水平低周反复荷载试验,分析了被加固框架的受力性能及位移延性,研究了已严重损伤的混凝土框架结构经碳纤维加固后的抗震性能。试验结果表明,严重损伤框架结构经碳纤维加固震后,其极限承载能力、耗能能力及延性等抗震性能有明显提高。     

斜拉桥施工工艺对主梁抗震性能的影响分析

采用有限元软件MIDAS/Civil对某斜拉桥进行整体建模,模拟施工全过程,运用增量动力分析(IDA)方法对施工工艺(调索与合龙顺序)改变对主梁抗震性能的影响进行分析。结果表明,改变调索顺序对主梁抗震性能的影响较大,改变合龙顺序对主梁抗震性能的影响较小;随着峰值加速度PGA的增大,不同调索顺序下主梁延性系数差值增大,且先调首索方案下的延性系数比先调尾索方案下的大;相同PGA时,不同合龙顺序下主梁转角延性系数相差不大,剪切位移延性系数基本相同。     

北京地区公路旧桥抗震性能评估研究

由于原有桥梁抗震思想和设计方法的局限性,很多公路旧桥的抗震性能存在严重不足。本研究结合桥梁抗震理论和设计方法的新成果,根据当前桥梁抗震设计规范,对按照原有规范设计的北京地区典型公路旧桥的抗震性能进行了评估研究。在大量调查公路旧桥的基础上,筛选出不同时期、不同形式的典型桥梁结构做为抗震评估的研究对象。根据新规范确定其抗震设防类别和地震动水平,采用反应谱法和非线性时程分析法,对桥梁结构在E1和E2地震下各构件的抗震性能和地震需求进行计算,采用能力需求比法(C/D法)进行抗震性能评估,并依据新规范对抗震构造措施进行评价。     

组合型外包钢板连接预制拼装桥墩拟静力试验

组合型外包钢板连接是一种新型预制拼装桥墩连接方式,为了研究组合型外包钢板连接预制拼装桥墩的抗震性能,采用拟静力缩尺模型试验的方法,按照缩尺比1∶3.75设计并加工了3组桥墩试验模型,分别为组合型外包钢板连接非承插式试件、承插式试件及同尺寸对比现浇试件,对承插式、非承插式以及对比现浇试件在水平往复作用下的破坏形态、滞回和骨架曲线、延性、耗能性能、刚度退化和残余变形等进行了对比分析。试验结果表明:组合型外包钢板连接可以增加传统塑性铰区混凝土的约束,使得塑性铰上移,在除钢板区域以外弯矩最大的地方形成塑性铰;组合型外包钢板连接预制拼装桥墩在水平往复荷载作用下,极限荷载和极限位移均比现浇试件有所提高;组合型外包钢板连接虽然屈服位移和极限位移比现浇试件要高,但是延性系数有所降低,依然满足抗震规范对结构延性的要求;承插式连接方案比非承插连接方案具有更好的抗震性能;组合型外包钢板连接预制拼装桥墩抗震性能不弱于现浇桥墩,在设计合理的情况下,可以满足预期抗震性能的要求。     

基于偏好序的桥梁结构全寿命抗震设计多目标优化模型

为综合考虑地震作用下结构的经济及性能等因素,将基于偏好序的交互式多目标综合优化决策方法应用于梁式桥梁全寿命抗震性能设计中。以单柱桥墩为例,令全寿命费用最低、强度安全及变形可靠指标最高为设计目标;根据工程经验分别引入考虑位移延性的经济偏好和安全偏好,并建立相应的价值函数,此交互式多目标优化问题的最终解可逐步收敛到与经济或安全偏好序一致的优化区域。研究结果表明:在桥梁全寿命抗震性能设计中,基于偏好序的交互式多目标优化决策模型可同时满足不同设防水准下多个性能目标的要求;较传统多目标优化算法中存在的问题,即优化结果分布广泛致使设计者无从选择,以及目标过多时无法获取全局Pareto前沿,该模型可通过逐步引入设计者偏好序以获得相应的全局最优解;该模型克服了规范算法反复试算和被动校核的缺点,通过指引其解沿当前价值函数的梯度方向主动搜索,最终可获取满足预期费用最低或安全最高偏好序,且兼顾位移延性需求的最终满意解。     

装配式桥墩抗震性能的提升方法研究进展

针对提高装配式桥墩抗震性能的不同方法,从结构刚度、抗剪能力、自复位能力、延性耗能和施工便易性等方面对比分析了其优缺点、适用性及研究思路等。首先,基于装配式桥墩抗震设计的难点和抗震性能的主要缺陷,提出该问题的研究背景;其次,分别从改进结构形式与材料、节段连接方式以及设置耗能装置等角度,归纳对比了国内外提升装配式桥墩抗震性能的主要措施;然后,剖析了这些措施的相关研究思路与研究方法。在此基础上,提出有待进一步研究的主要问题,即完善适合于装配式桥墩的理论分析方法,开展装配式双柱墩的抗震性能研究,提高装配式桥墩建造的便利性与经济性,并从桥梁体系的角度来分析其抗震性能。     

混凝土填充高度对部分填充圆形钢管混凝土桥墩柱抗震性能影响的试验研究

为了研究混凝土填充高度对部分填充圆形钢管混凝土桥墩柱抗震性能的影响,根据混凝土填充高度的不同设计了4根桥墩柱试件,其中1根空钢管桥墩柱和3根部分填充圆形钢管混凝土桥墩柱。通过在桥墩柱顶施加恒定的轴向压力及水平低周往复荷载的拟静力试验获得各试件荷载-位移滞回曲线及破坏形态等试验数据。利用各试件荷载-位移骨架包络曲线和耗能能力等试验结果,分析了混凝土填充高度对该类桥墩柱抗震性能的影响。结果表明:混凝土的填充没有改变桥墩钢管局部失稳的破坏形态,但延缓了钢管失稳变形的发展;同时随着混凝土填充高度的增加极限承载力、延性、耗能能力等都有较大提高,达到极限承载力后,承载力下降随着混凝土填充高度的增加变缓,表现出良好的抗震性能。     

装配式拱桥立柱节点抗震性能拟静力试验

为改进装配式拱桥立柱节点抗震设计方法和构造措施,以云南8度区一座130 m跨径空腹式箱型拱桥某排架立柱为研究原型,制作4组等比例试件,其中3组柱脚节点部位分别采用整体浇筑、角钢及钢纤维混凝土3种方式进行节点加强。通过施加模拟地震作用的低周往复荷载测试试件的破坏形态、力与位移关系,得到滞回曲线、骨架曲线等特征曲线及荷载与位移特征值,进而对试件的极限承载力、变形能力、耗能能力、刚度及延性等抗震性能进行对比分析。研究结果表明,4组试件中整体浇筑节点加强方式抗震性能最佳。     

以位移为基础的钢筋混凝土桥梁墩柱抗震设计方法研究

对钢筋混凝土桥梁墩柱基于位移抗震设计方法进行了系统的研究,应用UC-Fyber截面分析软件对大量方形和圆形截面进行弯矩一曲率分析,给出了墩柱目标位移的实用计算方法.根据我国2008年版抗震新规范的加速度反应谱得到不同阻尼比时的弹性位移反应谱、不同延性系数时的非弹性位移反应谱及非弹性需求谱,给出了结合我国规范的位移需求3种简化计算方法.进行了3种位移需求简化方法的实例计算,对设计算例用非线性时程分析验证了设计结果.结果表明,桥梁墩柱的目标位移与混凝土强度等级、纵筋配筋率、墩高及截面形式等因素都是有关的;基于等效线性化方法和基于非弹性位移反应谱方法以设计反应谱为基础进行计算,既保证了目标位移的实现,也考虑了结构的安全需求;基于能力谱方法以图形显示设计具有简单直观的特征,但是pushover分析得到的结构能力谱曲线与实际情况仍然存在一定的差别.     

双向压弯状态下矩形空心桥墩循环试验

为了研究水平双向地震作用下矩形空心桥墩的抗震性能,对约束良好但轴压比和纵向、横向配筋率不同的5个钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩在轴力和双向弯曲作用下的性能进行了循环试验研究.结果表明:试件破坏形态为桥墩底部形成塑性铰的弯曲形破坏,桥墩双向力-位移滞回曲线显示了双向压弯状态下RC矩形空心桥墩刚度和强度退化、捏拢效应以及2个水平方向抗震性能的相互影响;试件桥墩的延性系数在3.5～5.7之间,等效粘滞阻尼系数在0.19～0.26之间,延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求;所给出的横向配筋构型的RC矩形空心桥墩在水平双向地震作用下具有良好的抗震性能,可以取代中国规范JTG/T B02-01-2008中建议的矩形空心截面横向配筋构型;桥墩塑性铰区域高度约为桥墩高度的1/6,远小于规范规定的塑性铰长度的最小值,空心截面桥墩塑性铰发展区域更为集中.     

罕遇地震作用下山型轨道连续梁桥抗震性能研究

山型轨道连续梁相对于传统的U形轨道,具有更大的工程应用优势。现以某轨道交通的高架桥为工程背景,选取30 m+40 m+30 m山型连续梁作为研究对象,进行纤维划分建立抗震分析模型,选择三组人工拟合地震波,进行罕遇地震作用的时程分析。结果表明:固定墩已进入塑性状态,但其桥墩弹塑性变形的位移延性比满足设计要求。同时,研究了不同的体积配箍率对于桥墩抗震性能影响。结果表明:体积配箍率的增加,能有效地提高塑性铰抗剪承载能力,且也能增加桥墩的容许变形,提高结构的延性。上述研究结论可给类似桥梁的分析与设计工作提供一定参考。     

基于多尺度建模的钢桥墩高架桥抗震性能有限元分析

为了研究钢桥墩高架桥的抗震性能,本文基于多尺度建模技术,对五跨连续钢桥墩高架桥进行多尺度简化,采用非线性时程分析方法计算获得该高架桥的桥墩水平力时程曲线、整体结构位移曲线、力与位移滞回曲线等分析结果。通过分析该高架桥的模拟结果,探明该高架桥的抗震性能。研究表明:多尺度建模应用到高架桥抗震分析中,能有精确模拟桥墩受力和变形情况,同时有效平衡计算精度和计算时间;在地震波作用下,高架桥的桥墩屈曲破坏,全部进入弹塑性阶段,具有良好的延性性能。     

大跨人行异型斜拉桥静、动力及抗震性能分析

为研究异型斜拉桥结构安全,静、动力以及抗震性能是否满足规范要求,以某大跨人行异型斜拉桥为工程背景,采用MIDAS Civil有限元分析软件,结合桥梁施工方法,对结构进行了考虑混凝土的收缩、徐变、温度等作用的静力特性及动力特性、空气动力稳定以及抗震性能分析。结果表明:塔、梁各截面承载力均满足规范要求;结构基本周期比较短,能减少结构的地震位移,但对桥塔底部受力不利,主梁竖向弯曲的第1阶频率不符合规范(大于3Hz)要求,需要进行特殊设计,自振特性表现出明显的相互耦合的特点,随着频率的提高,结构扭转所占比重增大,对该桥的横向稳定不利;空气动力稳定良好;在E1地震作用下,结构的应力响应较小,结构刚度较大。     

钢筋锚固参数对圆桩方柱抗震性能的影响研究

为研究无承台式圆桩方柱连接节点抗震性能，优化圆桩方柱节点钢筋构造，基于有限元拟静力仿真开展不同钢筋锚固长度与锚固形式对比研究。共考虑3种直筒式钢筋与1种敞开式钢筋的圆桩与方柱连接节点方案，分别建立局部实体模型，考虑材料、结构非线性本构及桩-土相互作用边界，对滞回性能、承载能力、刚度退化与延性等进行比较分析。结果表明：各方案连接节点滞回性能良好，刚度退化曲线较为平缓，具有较好延性；采用直筒式钢筋方案，适当减少钢筋锚固长度可提高抗震性能；敞开式钢筋方案较直筒式钢筋方案可提升墩柱刚度，但延性略有下降。     

灌浆波纹管连接预制高强RC离心管墩抗震性能

预制高强钢筋混凝土(RC)离心管墩可工业化流水线生产，效率高，质量可靠，是预制装配桥梁下部结构常用的设计建造方式之一，但是灌浆波纹管连接预制高强RC离心管墩的连接可靠性和抗震安全性尚需开展量化研究。为此开展3个1∶2大比例尺灌浆波纹管连接预制高强RC离心管墩拟静力试验，探究了水平往复荷载下管墩节点损伤全过程，并结合现有研究，从位移延性、刚度退化、耗能特性等参数评估其抗震性能。在此基础上，提出配置单层箍筋的空心管墩约束混凝土模型，并通过试验和数值结果验证该改进模型的精确性。同时，分析了轴压比、壁厚比等重要参数对空心管墩延性的影响规律，提出了考虑约束效应的空心管墩极限抗弯强度计算方法。结果表明：采用灌浆波纹管连接的预制高强RC离心管墩-承台连接可靠性良好；当轴压比不大于0.1时，高强离心管墩和实心桥墩抗震性能基本相同，当轴压比大于0.2时，管墩延性等抗震指标显著降低。同时，考虑到单层箍筋对核心混凝土的约束效应，建议预制高强RC离心管墩的壁厚比应不小于0.2。