汶川地震庙子坪特大桥主桥震害分析

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我国已建有大量高墩大跨连续刚构桥,尤其是在西部高地震烈度地区。国内外经受过地震考验的高墩大跨连续刚构桥不多,其中庙子坪特大桥主桥主梁在汶川地震中出现了较严重的开裂震害,熊本地震中阿苏长杨大桥也出现了类似的开裂震害。与简支梁桥或连续梁桥使用支座连接主梁和桥墩不同,刚构桥的主梁和桥墩为刚接,强地震下主梁与桥墩共同承受一定的地震力。目前国内外规范对高墩大跨连续刚构桥主梁抗震规定尚属空白,对其在强烈地震下的反应行为也研究较少。因此,本文对汶川地震中庙子坪特大桥主桥的震害进行了详细的数值模拟研究,主要研究内容如下:(1)建立了庙子坪特大桥主桥联合施工的地震反应分析有限元模型。模拟悬臂施工阶段以准确获取主梁初始内(应)力。应力模拟计算与施工现场监测结果对比一致,并结合主桥自振特性实际测试结果,验证了建模的准确性。选取桥址附近8个台站实测的汶川强震动记录及常用的El Centro、Taft波,作为时程分析的地震波。(2)庙子坪特大桥主桥时程分析结果显示,不同地震波输入下得到的主梁高应力区与震害吻合较为一致,且受过渡墩处边界条件假设影响较小,预示箱梁开裂震害不属于个别现象。箱梁主墩处、边中跨合龙段处顶板,边跨1/6–1/2及中跨1/4–3/4区域处腹板,边中跨合龙段及其相邻2–3个节段处底板,在地震中易出现高拉应力或压应力区。初步估计了纵向预应力筋在地震时应力增加接近100 MPa。(3)考虑主桥过渡墩处挡块破坏后,跨中的拉、压应力减小,而墩梁固结处拉、压应力增加,桥墩的最大扭矩减小约30%。考虑支座仅受压特性后,边跨顶板最大拉应力减小约5 MPa,边跨底板、腹板压应力减小约6 MPa,边跨主梁扭矩减小75%,墩底纵桥向弯矩降低约50%。预示这种破坏行为对桥梁主体结构抗震是有利的。不同地震动输入方向下主梁应力响应差异较大,对高墩大跨连续刚构桥涉及主梁破坏行为的抗震分析时地震动必须以三向地震动方式输入。在过渡墩处设置双向摩擦摆支座,可在一定程度减小跨中腹板的主拉、压应力。同时还可以控制主梁边跨在过渡墩处较大位移反应,是比较有效的控制高墩大跨连续刚构桥地震损伤的减震措施。(4)引入另外两座桥讨论高墩大跨连续刚构桥地震破坏模式问题。假设经历与庙子坪特大桥相同的地震动作用,两座大桥均存在主梁开裂的可能,对比发现墩高对主梁应力影响最大,跨度其次。主墩越高,跨度越大,主梁的(主)拉、(主)压应力越大。主梁开裂发生时,支座存在破坏可能,墩底也易开裂,可能屈服。
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