不同破坏模式桥墩地震易损性及震后剩余承载力评估

震后桥梁通行能力预测与评估是抢险救援工作顺利进行的技术需求。桥墩是桥梁结构中重要的承载构件,地震作用下易发生损坏,由于设计参数的不同,将呈现弯曲破坏、弯剪破坏等不同破坏模式。应用理论易损性曲线法,以位移延性比来定义损伤指标,确定地震作用下桥墩弯曲破坏和弯剪破坏两种破坏模式的损伤程度判断标准,得到易损性曲线。为了分析桥梁震后通行能力,引入竖向承载能力折减系数作为损伤指标,对不同等级地震动作用下竖向承载能力的折减进行分析,并回归得到该损伤指标与地面震动加速度的函数关系。分析结果显示,相比弯曲破坏模式,桥墩在地震作用下发生弯剪破坏时达到中等破坏和完全破坏状态的概率随着地面震动加速度的增大而急剧增加。在弯剪破坏模式下,桥墩竖向剩余承载能力随着地面震动加速度的增加而下降的幅度也更大。需要在桥墩设计中合理选择参数避免弯剪破坏的发生。     

场地类别对装配式地铁车站结构地震响应的影响

为研究装配式地铁车站结构在不同场地条件下的地震响应,基于有限元软件,建立地层-装配式地铁车站结构三维静动力耦合非线性有限元分析模型,分析不同场地类别、不同地震动峰值加速度以及竖向地震动条件下装配式地铁车站结构的地震响应,并给出装配式地铁车站的加速度、变形、应力及塑性损伤的变化规律。分析表明： 1）场地类别由Ⅱ类变为Ⅲ类时,车站结构顶底间最大相对水平位移与接头张开角逐渐增大,且增长幅度变大,但接头张开角仍较小(<0.10°),验证了接头的稳定性和安全性; 2）在Ⅲ类场地条件下,拱腰、拱肩以及侧墙上下端附近的围护结构等位置易出现塑性损伤; 3）相比单向水平地震动,增加竖向地震动会显著增大装配式地铁车站结构的变形、应力、接头张开角及塑性损伤。总体来看,在Ⅱ类场地条件下,输入地震动峰值加速度分别为0.1g和0.2g时,结构基本处于弹性工作状态; 在Ⅲ类场地条件下,输入地震动峰值加速度为0.4g时,结构处于弹塑性工作状态且塑性区体积较大。     

基于IDA-PSDA的路堤震害易损性评价

为了研究路堤在地震作用下的易损性特点和挡土墙对路堤震害易损性的影响,选取连云港—霍尔果斯高速公路西安—宝鸡段K1125+470处路堤进行理论性震害易损性评价。通过划分路堤震害等级,选取路堤震害损伤参数,建立了路堤震害等级与路堤震害损伤参数之间的对应关系;采用Flac软件建立了无挡土墙和有挡土墙路堤的有限差分模型,选取实际记录地震动进行了增量动力分析,明确了一定地震动峰值加速度作用下无挡土墙和有挡土墙路堤震害损伤参数的取值规律;采用概率性地震需求分析方法研究了路堤发生各等级震害的概率,绘制了路堤震害易损性曲线,并将无挡土墙和有挡土墙路堤的震害易损性评价结果进行对比。研究结果表明:地震动峰值加速度为1.2g时,无挡土墙和有挡土墙路堤发生毁坏的概率比地震动峰值加速度为1.0g时平均高16.854%和76.679%,比地震动峰值加速度为0.8g时平均高95.895%和88.008%,即无论有无挡土墙,地震动峰值加速度越大,路堤发生更严重等级震害的概率越大;超越概率为30%、50%和80%时,有挡土墙路堤发生毁坏时对应的地震动峰值加速度比无挡土墙路堤平均高17.93%、18.14%和18.34%,即在相同地震作用下,有挡土墙路堤的震害状况低于无挡土墙路堤,说明挡土墙对提高路堤抗震性能具有积极作用。     

采用SMA智能橡胶支座的近断层大跨斜拉桥易损性分析

为提高大跨斜拉桥的抗震性能,提出了一种基于形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)的智能橡胶支座。以苏通长江大桥为研究对象,分别采用铅芯橡胶支座(LRB)和SMA-铅芯橡胶支座(SMA-LRB)对其进行抗震控制。基于PEER强震数据库选取了20条近断层地震动记录,采用增量动力分析(IDA)方法得到了该隔震斜拉桥的地震响应,基于可靠度概率方法建立了各构件及桥梁系统的易损性曲线,系统评估了采用传统支座及智能隔震支座的大跨斜拉桥体系及各构件的易损性。研究结果表明:斜拉桥体系的损伤概率高于单一构件的损伤概率;近断层地震动作用下,在斜拉桥体系发生中等、严重和完全损伤状态时,隔震支座的损伤概率均为各构件中最高,主塔损伤概率较低,仅出现轻微损伤;相较于LRB,安装SMA-LRB可明显降低斜拉桥体系的损伤概率;在强震作用下,主塔、桥墩及斜拉索发生完全破坏的概率小;安装LRB和SMA-LRB后斜拉桥体系发生完全破坏的损伤概率分别为0.07和0.009,表明该体系具有较强的抗震能力。     

三维隔震连续梁桥模型结构地震模拟振动台试验

为发展作者研发的新型三维隔震装置,研究不同强度、不同特性地震作用下三维隔震连续梁桥的地震响应和三维隔震效果,设计并制作了一座1/25缩尺比例的三维隔震三跨连续梁桥和单跨水平隔震梁桥模型结构,设计了适合于桥梁模型的三维隔震支座和常用普通叠层橡胶隔震支座。在此基础上,对三维隔震连续梁桥和水平隔震单跨梁桥进行水平和竖向地震模拟振动台试验。研究结果表明:在几乎所有地震作用过程中,所研发的三维隔震支座能安全、有效地发挥作用,试验结束后三维隔震支座没有发生损坏。水平地震作用下,无论地震强度大小三维隔震支座和水平隔震支座都具有较好的水平隔震效果,主梁水平加速度减震效果可达50%~80%。近断层脉冲型地震动作用下,铅芯橡胶支座的水平隔震效果明显优于普通叠层橡胶支座。竖向地震作用下,采用普通叠层橡胶支座的单跨梁桥主梁竖向峰值加速度可能会明显放大,最大可能放大近1倍;即使部分地震激励下峰值加速度没有放大,在局部时段仍有明显放大现象,但是采用三维隔震支座的连续梁桥主梁竖向峰值加速度比墩顶竖向峰值加速度一般可减小30%左右,最多可达50%,且基本没有出现局部时段放大现象。三维隔震梁桥在水平和竖向地震作用下都表现出良好的隔震效果,为三维隔震技术在桥梁工程中的应用提供了依据。     

基于强度和延性的钢管混凝土拱桥抗震性能评估方法

为评估并量化钢管混凝土(CFST)拱桥的抗震性能,提出了基于强度和延性的抗震性能评估方法。首先通过有限元分别计算CFST拱桥各构件(弦杆、腹杆、吊杆、横向联系、吊杆横梁和桥面纵梁)在重力代表值和小地震(0.05g)作用下的内力,然后根据各构件的破坏模式计算其极限承载力、延性比和地震作用折减系数,最后通过屈服地面运动加速度与地震作用折减系数相乘获得各构件的抗震能力A c,桥梁整体的抗震能力即为各构件最小的抗震能力A c。以大跨度中承式CFST拱桥——广西平南三桥(主跨575 m)为背景,采用该方法评估其抗震能力,将其抗震能力指标进行量化,结果表明其抗震加速度代表值为0.171g,满足Ⅶ度抗震设防目标。     

高墩多塔斜拉桥地震动强度指标选择及易损性评估

为研究高墩多塔斜拉桥的抗震特性,以一座墩高178m的四塔斜拉桥为例,考虑材料和几何非线性,建立全桥有限元动力模型;选取长、短周期2类共80条实测地震波进行非线性时程分析;以4类能够反映斜拉桥响应特点的工程需求参数为对象,结合对数回归分析,对9种常用的地震动强度指标的可行性、有效性和适用性进行评价,并提出此类桥梁地震动强度指标的选择建议;结合各构件的损伤特点,合理定义支座系统、索塔、主梁和拉索的损伤指标;基于易损性分析理论,建立关键构件的易损性曲线,明确各类构件的易损位置,并对不同构件的损伤特性进行对比分析,进而提出改善此类桥梁抗震性能的思路。研究结果表明:高墩多塔斜拉桥不宜沿用常规桥梁的地震动强度指标进行地震响应预测,而应针对不同情况采用基本周期谱加速度或峰值谱位移;纵向地震作用下,支座系统、主梁和拉索均呈现出较高的损伤概率,而索塔的损伤相对较低;主梁的损伤主要集中在中跨1/4和3/4截面处,拉索的损伤主要集中在端锚索和中跨的长索;由于索塔的损伤远小于其他构件,而易损构件都是由于结构较大变形引起的,因而在此类结构的抗震设计中,控制位移或变形较控制索塔内力更加关键。     

海螺沟青杠坪大桥抗震构造设计

四川省甘孜州海螺沟青杠坪大桥为净跨130m的上承式钢筋混凝土箱形板拱桥。桥位区地震基本烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0·2g,要求按Ⅸ度设防。根据桥位区的地形、地质情况,结合大桥的结构特性,介绍了抗震构造设计中的一些关键技术。     

钢管混凝土拱桥地震破坏评估研究

为了研究钢管混凝土拱桥的地震破坏程度,基于变形或内力和能量的双重破坏准则确定钢管混凝土拱桥各部分杆件的破坏指数,建立整桥的破坏评估模型,提出钢管混凝土拱桥的地震破坏评估方法。采用数值模拟方法对钢管混凝土拱桥在恒载和地震荷载作用下的内力、变形和累积能量进行分析,对钢管混凝土拱桥进行地震破坏评估,最后以南宁市永和大桥为例进行了分析。结果表明：对于抗震设防烈度为7度的钢管混凝土拱桥,在8度地震作用下全桥处于完好状态,9度地震作用下处于轻微破坏状态,满足抗震设防要求,说明该评估方法能够对地震破坏给出较准确的评估结果。     

中承式钢管混凝土拱桥地震易损性分析

为了研究中承式钢管混凝土拱桥的地震易损性,基于国内工程实际和统计资料对拱桥相关参数进行取值,使用超拉丁法抽样形成桥梁样本,从太平洋地震工程研究中心数据库选取符合我国地质条件的地震记录作为地震动样本,对桥梁和地震样本进行配对;使用数值方法模拟相关动力响应,根据基于变形或内力和积累耗能的双重破坏准则判断其破坏状态。通过概率分析得到桥梁关于峰值加速度(PGA)的易损曲线和关于地震震级、震源距离的易损曲面,为地震风险评估抗震加固提供了理论依据。     

三门峡黄河公铁两用大桥主桥减隔震设计

三门峡黄河公铁两用大桥主桥采用(84+9×108+84)m连续钢桁结合梁结构,主梁恒载1 030kN/m,墩高60~72m,桥址区水平地震动峰值加速度为0.18g,场地类别为Ⅲ类。为了达到抗震设防目标,主墩墩顶采用双曲面球型减隔震支座,支座球心距7m,摩擦系数0.03。采用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型进行地震动力分析,并根据分析结果进行桥墩与基础验算。验算结果表明:在设计地震作用下,主体结构均保持在弹性工作范围内;在罕遇地震作用下,墩底可能进入塑性屈服阶段,墩柱按延性构件设计。根据地震动力分析结果和桥墩、基础验算结果,确定双曲面支座抗剪栓水平承载力按1.4倍的多遇地震响应值设计。     

溶洞对钢管混凝土拱桥地震反应分析的影响

为了研究溶洞对钢管混凝土拱桥地震反应影响,利用有限元法建立钢管混凝土拱桥三维空间有限元模型,考虑地基基础相互作用,建立有限区域地基有限元模型,基于EL-CENTRO地震波的地震动数据,采用时程分析方法计算溶洞存在对钢管混凝土拱桥地震反应的影响。结果表明:强震作用下,地基土有溶洞的钢管混凝土拱桥各关键部位的位移、加速度、内力值均大于不含溶洞地基土的结果,拱肋弦杆等薄弱部位增幅较为明显,拱肋弦杆位移量、加速度及弯矩值最大。因此,建议在有溶洞地基的钢管混凝土拱桥建设中,应加强针对拱肋弦杆等关键部位的抗震设计,以减轻或避免地震作用对钢管混凝土拱桥结构的破坏。     

不同地震烈度下隔震连续梁桥模型振动台试验

为了研究在不同地震烈度下不同类型场地的隔震连续梁桥结构的振动特性和隔震效果,根据一座在建的两跨隔震梁桥,按1/10的比例设计了一座两跨隔震梁桥模型及试验用方形铅芯橡胶支座,并对其力学性能进行试验;在此基础上对梁桥结构模型进行了地震模拟振动台试验。结果表明:地震动的幅度和频谱成分、场地类别、地震烈度、断层等因素对隔震桥梁体系的隔震效果有很大影响;输入不同地震波和不同加速度峰值,小震时铅芯橡胶支座水平刚度较大,结构较稳定,大震时铅芯橡胶支座水平刚度较小,支座恢复力-位移滞回曲线面积较大,可以较多地耗散地震输入能量,减小能量向桥梁上部结构的传递。     

基于能力需求比法的矮墩大跨度PC连续梁桥延性和减隔震设计评价

针对墩身刚度差异明显的大跨度连续梁桥合理抗震体系选择的问题,以一座跨径布置为(90+150+90)m的矮墩变截面PC连续梁桥为工程背景进行分析.对比分析了在E2地震下采用延性抗震体系和利用摩擦摆支座的减隔震体系下桥梁关键构件的地震响应,然后运用能力需求比法对两种抗震设计下桥梁安全状态进行评价.结果 表明:采用延性抗震体系,制动墩承担较大地震力,桥墩虽保持弹性,但桩基和支座破坏,桥梁处于危险状态;利用摩擦摆减隔震支座进行减隔震设计,各墩地震水平力分担均匀且地震水平力有效减小,墩柱处于弹性状态,桩基和支座完好,桥梁处于安全状态.对于墩身高度矮,墩身刚度差异显著的大跨度PC连续梁桥,设置摩擦摆减隔震支座,可以改善结构抗震性能,满足桥梁在地震作用下的性能目标.     

汶川地震跨断裂带小鱼洞大桥地震破坏分析

以汶川地震跨小鱼洞断裂带的小鱼洞大桥地震破坏为研究背景,通过对其震后现场的实地勘察分析,建立了小鱼洞大桥多点地震动激励的动力分析数值模型。考虑到断裂带两侧地震强度的区别,采用三角级数法模拟人工地震波时选用不同的地震峰值加速度,然后对其进行地震破坏数值分析,重点讨论了桥梁地震破坏的薄弱部位及其破坏原因。数值模拟结果基本体现了小鱼洞大桥的实际破坏状况,证明了数值分析模型的有效性。     

组合钢箱梁跨线桥抗震策略分析研究

文章针对钢箱组合梁跨线桥,按照延性体系和铅芯橡胶支座的减隔震体系进行了水平向设计基本地震动加速度峰值A=0.10g～0.30g和特征周期Tg=0.40s、0.55s下的抗震设计,给出了两种体系下主要桥梁结构构件的抗震配筋,并进一步比较了两种抗震体系的震后服务性能和经济性能。结果表明:减隔震抗震体系下的桥梁在震后服务性能略优于延性抗震体系;减隔震支座费用偏高,而延性体系则需要更多的构件配筋。     

基于IDA的深水连续刚构桥桥墩概率性地震损伤特性

为研究深水环境下连续刚构桥的概率性地震损伤特性,以中国西部某高速公路三跨深水连续刚构桥为对象,考虑桩-土动力相互作用和桥梁水中部分的动水效应,采用OpenSees软件建立其全桥非线性有限元模型。选取与规范设计谱相匹配的成组地震记录为输入,开展无水、水深12m、水深27m这3种工况下的全桥结构增量动力分析。以主跨左侧双壁墩为对象,采用概率地震需求分析方法计算16%、50%和84%这3种分位数水平的概率分位曲线,并生成不同损伤水平下的易损性曲线。结果表明:动水效应会延长结构的自振周期;桥墩各主要截面的曲率均随地震动峰值加速度PGA的增加而增大,墩底截面比墩顶以更高概率进入严重破坏、完全破坏阶段;双壁墩内侧墩壁截面出现同级损伤的概率大于外侧墩壁;随着水深增加,墩底截面曲率响应随之增大,各破坏等级的超越概率也相应增大,当PGA为0.6g时,3种水深下内侧墩底发生完全破坏的概率分别为28.1%、39.4%和67.6%。深水环境的存在会显著增大连续刚构桥在不同地震动水平下的破坏超越概率,应予以重视。     

汶川地震岩质边坡崩塌机理分析

为研究岩质边坡的地震崩塌机理,对汶川地震广岳铁路沿线岩质边坡进行震害调查,发现与拟静力分析的滑移假设不同,地震作用下块体崩塌具有抛射特征。通过对楔形块体岩质边坡模型进行有限差分动力数值计算,发现水平地震动作用下块体顶部会产生0.9倍水平向峰值加速度的垂直向峰值加速度,块体内部的水平向峰值加速度约为相同高度完好岩体水平向峰值加速度的2倍;块体在强地震作用下产生的是斜向下抛射运动而非平抛运动,初始速度矢量与水平面的夹角约为41.6°。研究初步揭示了岩质边坡在地震作用下的崩塌机理,为深入揭示块体的地震动响应规律奠定了基础。     

中小跨径混凝土连续梁桥地震易损性研究

以国内常见的中小跨径混凝土连续梁桥为对象,考虑了桥墩、板式橡胶支座构件损伤,对桥梁系统进行了地震易损性分析。在桥梁易损性分析中,使用了超拉丁方抽样技术形成桥梁样本,从太平洋地震工程研究中心数据库中选取了大量地震波作为地震动输入样本,以桥墩漂移率、支座相对变形作为损伤指标,并对损伤指标予以了量化。在计算得到桥梁构件易损性曲线的基础上,使用一阶可靠度理论形成了桥梁系统易损性曲线的上下界限,并得出了桥梁不同损伤状态对应的具有统计意义的中位值地震动强度。研究结果对于在役的同类型桥梁抗震加固设计及地震灾害损失评估提供了理论依据。     

主余震序列波下钢筋混凝土墩柱的抗震性能分析

地震主震之后常常伴随着余震,可能给结构带来二次破坏。文章以普通钢筋混凝土墩柱为研究对象,基于理论分析和二维有限元非线性动力时程计算的方法,采用修正的Park-Ang损伤指标为依据,在主余震作用下对钢筋混凝土墩柱损伤分析,研究墩柱损伤指数随配筋率的变化规律。在多种工况下结构双参数损伤指数分析表明:在主震后处于完好或者轻微损伤状态的墩柱可以不计余震的影响;在主震后处于中等损伤或严重损伤的混凝土墩柱,需要考虑余震的影响。结构抗震设计时,应计入余震的作用,结构的主余震相应大小与余震的峰值加速度和频率特征有关;对主震造成中等损伤、严重损伤和倒塌的钢筋混凝土墩柱,配筋率在一定范围内增加可明显提高结构抗主震及其余震能力。本研究为提高钢筋混凝土墩柱抗余震能力提供有力支撑。