地震作用下高墩刚构桥倒塌分析

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1、地震作用下高墩刚构桥倒塌分析张行，张谢东3l地震作用下高墩刚构桥倒塌分析张行。张谢东(武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063)摘要：为了研究高墩刚构桥在地震作用下的倒塌问题，根据结构在地震作用下发生损伤累积而丧失承受竖向荷载的能力、最终发生倒塌破坏的机理，提出了基于墩顶竖向位移的倒塌判别准则；采用基于单地震动记录IDA的分析方法，得到了结构倒塌破坏的极限状态点和塑性变形特征。以一座最大墩高为178rn的(100+3×200+106)m高墩刚构桥为背景，进行结构倒塌分析，并对其结构塑性变形特征进行研究。结果表明：高墩刚

2、构桥墩顶竖向位移可作为倒塌破坏的特征响应；墩底、墩顶和系梁附近是结构塑性发展区。关键词：刚构桥；高桥墩；地震；位移；IDA；竖向位移；塑性变形；分析中图分类号：U448．23文献标志码：A文章编号：1671—7767(2014)01—0031—051引言2桥梁结构倒塌破坏准则近年来发生的几次大地震中，不乏桥梁结构的基于IDA的结构倒塌分析中一个重要的问题倒塌事故口]，造成了巨大的人员伤亡和经济损失。是确定结构倒塌破坏的判断准则。实际结构在地震2008年发生的汶川地震促使国内学者对结构倒塌作用下的倒塌破坏是较复杂的非线性动

3、力过程，目研究更为重视，已在建筑结构的倒塌机理及破坏模前还没有一个广泛适用且准确的倒塌破坏判断准则。式、数值模拟与试验研究等方面取得了丰硕的研究钢筋混凝土结构或构件的承载力在地震作用下成果I4]，而对桥梁结构的倒塌研究略显薄弱。针会随着损伤的发展而逐步丧失，该结构或构件甚至对目前我国桥梁结构的抗震设计思想——“小震不因此发生倒塌破坏。研究表明结构的倒塌主要是由坏、中震可修、大震不倒”，开展大型桥梁结构的倒塌于关键受力构件发生破坏，使得在自身重力作用下分析、倒塌极限状态点的确定等研究具有重要的现结构发生失稳和倒塌。根据这一

4、机理，国内、外研究实意义。目前高墩刚构桥相关研究主要涉及等墩高者相继提出了一些钢筋混凝土结构倒塌破坏的判断刚构桥的抗倒塌能力和高墩动力失稳倒塌等问准则，这些准则可以分成如下3类：基于刚度的倒塌题。整体结构在地震作用下的倒塌试验难度较大，破坏判断准则、基于最大位移和能量双重标准的倒主要借助高效的数值模拟方法开展相关研究。近年塌破坏判断准则、基于变形的倒塌破坏判断准则。来用于结构地震研究的IDA方法能够了解不同程这3类判断准则各有其特点，结构在倒塌过程中发度地震作用对结构的影响，了解结构响应特性随地生的弹塑性变形和损伤会导致

5、结构的刚度、能量和震动强度增长的变化情况，能对结构的抗震性能和位移发生变化，基于刚度的判别准则从刚度的变化动力稳定进行评估_9]，是结构倒塌能力分析的重要角度揭示结构倒塌机理；基于位移和能量的双重破方法⋯。坏准则在位移和能量耦合作用的基础上，从变形和地震作用下结构发生损伤累积而逐渐丧失承受能量的角度揭示结构倒塌的机理；而基于最大位移竖向荷载的能力，继而发生倒塌破坏。根据这一倒的判别准则直接从变形的角度揭示结构倒塌破坏的塌机理，本文提出了高墩刚构桥倒塌破坏的判断准原因。第2类准则相对来说最为复杂，某些情况下则，并结合工程实

6、例，采用IDA方法探讨了高墩刚反而不如其它2类准则有效。构桥倒塌破坏的极限状态点和相应的塑性变形特征。对于复杂大型结构的倒塌破坏，通常以结构主要承重构件的局部变形或整体变形超过给定的限值收稿日期：2013—09—03基金项目：内蒙古自治区交通科技项目(NJ一2012—18)作者简介：张行(1980-)，女，讲师。2001年毕业于武汉科技大学土木工程专业，：z@-~-k，2004年毕业于华中科技大学结构工程专业，工学硕士，2010年毕业于华中科技大学结构工程专业，工学博士(E—mail：carnation—bust@163

7、．com)。32世界桥梁2014，42(1)作为破坏标准，这一判断准则能直观地反映结构的建立结构有限元模型倒塌损伤状态，得到了较为广泛的应用。桥梁结构主要采用位移漂移率、曲率或者应变是否超过容许输入地震记录值等作为判断准则，表1列出了目前桥梁结构常用设置非线性动力方程求解控制信的倒塌破坏判断准则。增加表1桥梁结构常用倒塌破坏判断准则求解非线性动力方程j震动=二]二二幅f输出特征点位移J值i．厂．．J输出ID^曲线J图1倒塌计算流程表1中所列判断准则是为了控制规则桥梁结构到一系列不同强度的地震动记录。在大震下不发生倒塌破坏

8、而设定的，距离结构的实。(f)一a()际倒塌状态尚有一些安全储备，故不适合作为不规式中，’()为第i次调幅后的地震波；(￡)为初始则桥梁结构实际意义上的倒塌判断准则。高墩结构地震波；为调幅系数。在某些地震激励下高阶振型引起的地震反应显著，(4)根据倒塌破坏判断准则，选取墩顶竖向位因而可能出现多个塑性铰m]，有可能在墩