既有大跨度混凝土拱橋震害機理分析

唐 堂, 錢永久

(1.西南交通大學土木學院，四川 成都 610031； 2.四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，四川 成都611730)

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既有大跨度混凝土拱橋震害機理分析

唐 堂1，2, 錢永久1

(1.西南交通大學土木學院，四川 成都 610031； 2.四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，四川 成都611730)

以汶川地震中遭到嚴重破壞的金花大橋作為工程實例，基于現(xiàn)場震害調(diào)查資料和數(shù)值分析來研究金花大橋地震破壞機理?，F(xiàn)場震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，金花大橋震害主要集中在主拱肋和拱上立柱，表現(xiàn)為混凝土開裂和拱上立柱環(huán)向裂縫等。數(shù)值分析結(jié)果表明，在地震荷載作用下主拱肋的拱腳截面抗彎能力比地震需求小，會出現(xiàn)彎曲破壞，拱頂截面抗震能力滿足抗震需求；8#拱上立柱在柱底會發(fā)生彎曲開裂。數(shù)值分析結(jié)果與震害調(diào)查具有一致性，可為大跨度拱橋抗震設(shè)計提供參考。

上承式混凝土拱橋； 震害； 機理分析

0 引言

我國西南地區(qū)多為高地震烈度的山區(qū)，地形、地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜，山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)通常采用大跨度鋼筋混凝土拱橋。在世界范圍內(nèi)的歷次大地震中，大跨度拱橋表現(xiàn)出來的震害普遍較少，地震風險尚未完全彰顯，對其震害認識還有待進一步提高。1995年日本 Kobe地震中，位于震區(qū)的西宮港大橋(主跨為252 m的鋼系桿拱橋)第一跨引橋因相對位移過大而脫落，另一座主跨214 m鋼拱橋發(fā)生了鑄鋼支座移位破壞和拱上風撐屈曲破壞[1]。2008年“5·12”四川汶川地震中，災(zāi)區(qū)多座大跨徑混凝土拱橋發(fā)生了不同程度的震害，其中金花大橋、白水河大橋震害十分典型，這為深入了解該類型橋梁震害機理提供了重要的實例。近年來，不少學者對拱橋的振動問題進行比較深入的研究，取得了一系列成果[2-4]。但研究重點主要針對中承式拱橋，對大跨度混凝土拱橋的研究較少。本文將以震害嚴重的金花大橋為研究對象來分析其震害破壞機理。

1 橋梁震害概況

1.1 金花大橋震害

圖1 金花大橋立面示意圖(單位：m)Fig.1 Elevation drawing of Jinhua Bridgy (Unit:m)

圖2 金花大橋橫斷面圖(單位：m)Fig.2 Cross section map of Jinhua Bridge (Unit:m)

綿竹金花大橋(圖1、圖2)主橋為1×150 m鋼筋混凝土雙肋拱橋。主拱采用C40鋼筋混凝土等截面懸鏈線箱形雙肋拱，凈跨徑150 m，拱軸系數(shù)m=2.111，矢跨比f/L=1/6，肋間中距6.4 m。單肋截面為雙箱雙室，箱寬3.0 m，箱高2.3 m；頂板厚0.28 m，底板厚0.25 m，頂?shù)装逶诠澳_18 m區(qū)段按線形分別逐漸加厚到0.48 m和0.45 m，腹板為3 m×0.25 m。拱上立柱和引孔墩柱為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。支座采用板式橡膠支座或聚四氟乙烯滑板支座。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。汶川地震后，金花大橋主橋各構(gòu)件發(fā)生了不同程度震害，主要表現(xiàn)為拱肋拱腳底板彎曲裂縫和腹板剪切裂縫；拱上立柱底座與拱肋交接處環(huán)線裂縫；縱梁與墊梁沖擊碰撞明顯，導致混凝土剝落和斜向裂縫*綿竹金花大橋檢測報告.成都:四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，2008.。金花大橋及其震害如圖3所示。

圖3 金花大橋及其震害Fig.3 Jinhua Bridge and its seismic damage

1.2 白水河大橋震害

G212 線白水河大橋為3×90 m 鋼筋混凝土箱型拱橋。在汶川地震中其震害有：第1跨廣元側(cè)拱腳截面拱腹橫向開裂；第1腹拱變形破壞和拱上橫墻底座剪切破壞②*② 白水河大橋檢測報告.成都:四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，2008.。白水河大橋及其震害如圖4所示。

1.3 其他大跨度上承式混凝土拱橋震害

廣元市青川縣境內(nèi)S105線的井田壩拱橋為 2×85 m箱形拱橋。在地震中其拱圈斷裂，造成全橋垮塌(圖5)。廣元市G212廣元至姚渡洛陽河大橋為1×100 m箱型拱橋，震后基本保持完整，無明顯震害(圖6)[5]。

圖5 井田壩拱橋垮塌 Fig.5 Collapse of Jintianba Bridge

圖6 洛陽河大橋 Fig.6 Luoyanghe Bridge

2 金花大橋建模及自振特性

金花大橋在汶川地震中遭受了十分典型的大跨度上承式混凝土拱橋破壞，本文將采用非線性時程分析方法對其震害進行數(shù)值模擬和震害機理分析。

2.1 金花大橋分析計算模型

運用大型有限元軟件SAP2000建立全橋模型(圖7)。在計算模型中，主拱肋、縱梁、墊梁采用空間梁單元模擬，橋面板采用板殼單元模擬;拱上立柱的彈塑性模型在其柱底和柱頂設(shè)置塑形鉸，鉸的恢復(fù)力特性由彎矩-軸力相互作用的屈服面定義。全橋模型包括 200個梁單元和150個板單元。根據(jù)結(jié)構(gòu)實際支撐情況和場地條件，拱肋邊界條件取與地基固結(jié)，拱上立柱與主拱肋采用剛性連接，拱上立柱與縱梁連接采用板式橡膠支座或聚四氟乙烯滑板支座連接。

板式橡膠支座恢復(fù)力模型如圖8所示，豎向剛度取值k=660 MZ·m-1。聚四氟乙烯橡膠支座的恢復(fù)力模型采用雙線性模型，SDX=6.6×105kN·m-1，SDY=SDZ=1 437 kN·m-1,支座旋轉(zhuǎn)剛度取值為0。計算模型中考慮地震時橋面板與橋臺之間、引橋與主橋之間和縱梁和墊梁之間的碰撞效應(yīng)。在SAP2000中采用GAP單元模擬伸縮縫，剛度取值k=5.76×107N·m-1，單元縫隙open=0.044 m，如圖9所示。

圖7 金花大橋有限元計算模型Fig.7 The finite element calculation model of Jinhua Bridge

圖8 滑板支座恢復(fù)力模型Fig.8 Restoring force model of the laminated rubber bearings

圖9 伸縮縫采用GAP模型力-位移示意圖Fig.9 Force-displacement schematic of expansion joints using GAP model

2.2 金花大橋自振特性

大跨度拱橋的動力特性分析是進行地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計的基礎(chǔ)，對了解橋梁的地震反應(yīng)特性和確定阻尼系數(shù)有十分重要的影響。金花大橋主拱平面內(nèi)前4階振型(圖10)的頻率和振型特征如表2所列。

圖10 金花大橋模型前4階振型Fig.10 The first four vibration modes of Jinhua Bridge

表 1 金花大橋的動力特性

3 金花大橋震害機理分析

為研究金花大橋的地震破壞機理，考慮拱上立柱塑性、支座和伸縮縫的非線性。首先，對拱肋進行抗震性能驗算，分析在實測地震波作用下主拱圈控制截面的抗震能力是否滿足地震需求；其次，對震害突出的拱上立柱進行抗震能力和地震需求分析。

3.1 輸入地震動

選取汶川地震中什邡八角站記錄的NS方向加速度時程數(shù)據(jù)得到的地震波(圖1)，并結(jié)合地震動譜加速度衰減模型[6](采用SEISMOSIGNAL軟件)求得橋址場地地震波的PGA數(shù)值為0.49g。為減少計算時間、便于對比分析，選取44 s時的地震波進行計算，時間間隔為0.01 s。為考慮豎向地震動，本次計算中豎向輸入為縱向輸入的 0.65 倍[7-8]。

圖11 汶川波加速度時程曲線Fig.11 Acceleration time-history curve of Wenchuan seismic waves

3.2 主拱圈抗震性能計算

大跨度上承式混凝土拱橋主拱圈裂縫分縱向和橫向兩種形式，橫向開裂一般出現(xiàn)在拱頂或拱腳截面，縱向開裂較少出現(xiàn)。拱頂和拱腳截面是拱橋的設(shè)計控制截面，在靜力荷載作用下這兩處截面的彎矩最大，容易成為抗震設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是拱橋處于彎矩形狀突變部位，易出現(xiàn)彎曲開裂病害。金花大橋拱腳截面和拱頂截面控制在地震荷載下的內(nèi)力和變形如表2所列。

表 2 地震波作用下拱橋控制截面地震響應(yīng)

拱肋的抗彎強度采用纖維截面XTRACT軟件計算。本次震害典型的2#拱肋拱腳截面抗彎能力計算見圖12。拱肋拱腳的屈服彎矩約為36 692 kN·m(地震需求的最大彎矩為3.887×104kN·m)，其截面抗震能力比地震需求小，因此發(fā)生彎曲破壞，這與橋梁實際檢測震害一致。拱肋拱頂?shù)那澗丶s為26 040 kN·m(地震需求的最大彎矩為2.340×104kN·m)，其截面抗震能力雖均比地震需求略大，說明拱肋的拱腳截面即使未彎曲屈曲，但會發(fā)生彎曲開裂。

圖12 拱腳及拱頂截面彎矩-曲率關(guān)系Fig.12 Moment-curvature relationship of the spring and vault corss-section

3.3 拱上立柱抗震性能計算

拱上立柱是大跨徑上承式拱橋的易損構(gòu)件，其中拱上立柱與主拱圈連接部位的開裂是很常見的震害，主要是由于它們的結(jié)構(gòu)形式不同，導致彼此間震動變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。同時相關(guān)資料表明，在平面上拱上立柱對拱肋的橫向振動尤其是彎曲振動產(chǎn)生約束，同時拱上立柱將出現(xiàn)較大的內(nèi)力響應(yīng)，并可能出現(xiàn)不同程度的震害。根據(jù)金花大橋?qū)嶋H震害， 8#立柱底部由于受較地震荷載作用導致其底部出現(xiàn)環(huán)向裂縫。金花大橋8#拱上立柱在地震荷載下的地震需求如表3所列。

表 3 8#拱上立柱地震需求

拱上立柱的抗彎強度采用纖維截面件XTRACT軟件計算，截面約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用Mander模型，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用考慮強化段的拋物線模型。選取本次震害典型的8#拱上立柱截面抗彎能力進行計算。在重力荷載作用下，8#拱上立柱軸力N約為980 kN，基于截面分析得到立柱彎矩-曲率關(guān)系圖如圖13所示。該立柱的屈服彎矩約為1 030 kN·m，假定反彎點位于拱上立柱的跨中處，則計算得到屈服剪力為919 kN。8#拱上立柱抗震能力大于地震需求(935 kN·m)，在汶川地震波作用下，該立柱底部不會發(fā)生彎曲屈曲，但會出現(xiàn)彎曲開裂。

圖13 8#拱上立柱立柱彎矩-曲率關(guān)系 Fig.13 Moment-curvature relationship of 8# arch column

4 結(jié)論

本文介紹了汶川地震中大跨度上承式混凝土拱橋震害情況，結(jié)合現(xiàn)場檢測，利用數(shù)值模擬分析了金花大橋的地震破壞機理。認為：(1)地震時拱上立柱，特別是靠近拱頂附件的立柱是地震易損構(gòu)件，承擔了很大的地震慣性力；(2)在地震波荷載作用下，拱圈拱腳截面發(fā)生了彎曲破壞，在抗震設(shè)計和抗震加固中應(yīng)重點關(guān)注

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Mechanism of Seismic Damage of a Large-span Concrete Arch Bridge

TANG Tang1, 2, QIAN Yong-jiu1

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.SichuanHuatengHighwayEngineeringTestCheckingCo.,Ltd.,Chengdu611730,Sichuan,China)

The study of the damage mechanism of bridges is an important procedure that turns seismic damage investigation results into a practical technology. The damage features of arch bridges during the Wenchuan earthquake of 2008 differ from those of other earthquakes. Based on the data collected from the Wenchuan earthquake, the seismic damage mechanism of the Jinhua bridge was studied through post-earthquake investigation and numerical analysis. From the site-damage survey, it was found that the Jinhua bridge damage was mainly concentrated in the main rib and arch column, showing mainly concrete cracking and ring cracks of the arch column. The damage mechanism of the rib arch and arch column was simulated by FEM analysis, and the simulation results showed that under seismic loads, the flexural capacity of the spring cross-section of the main rib arch did not meet seismic requirements, while that of the vault cross-section did meet the requirements; flexural cracking appeared at the bottom section of the 8#arch column. It was concluded that the simulation results agreed well with post-earthquake investigation, and they can provide references for the seismic design of long-span arch bridges in mountainous areas with higher intensity. This paper also proposes some countermeasures for bridge design and construction techniques to minimize typical earthquake damage, and hopes to provide references for future bridge construction.

deck-type concrete arch bridge; seismic damage; mechanism analysis

2015-09-01

國家自然科學基金項目(51178395)；四川省交通運輸廳公路局(2011C21-4-1)

唐 堂(1983-)，男，博士研究生，從事橋梁檢測與加固研究。E-mail：447248080@qq.com。

U448.22

A

1000-0844(2016)05-0701-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0701