少筋混凝土鐵路橋墩的地震破壞機制研究2

1、少筋混凝土鐵路橋墩的地震破壞機制研究（一） 立項依據(jù)與研究內容1. 項目的立項依據(jù)1.1研究意義近十幾年來，我國鐵路工程的迅速發(fā)展帶動了鐵路橋梁建設技術的飛躍。目前已建成了一大批結構新穎、技術復雜、設計和施工難度大、科技含量高的橋梁結構。以南京大勝關長江大橋、武漢天興洲長江大橋、滬通長江大橋、鄭州黃河大橋等為代表的鐵路橋梁正向著大跨度、高速度的技術方向邁進，多座更大跨度的鐵路橋梁，如濟南黃河鐵路大橋、安慶長江鐵路大橋、鄱陽湖鐵路大橋和瀾滄江鐵路大橋等也正在設計建設中。鐵路橋梁建設的快速發(fā)展，在推動學科技術進步的同時，也向研究人員和工程人員提出了更高的技術要求和挑戰(zhàn)。橋梁結構是鐵路交通中的重要基

2、礎設施和生命線工程，在地震中直接關系到人民生命財產(chǎn)的安全和震后救援。我國是世界上地震多發(fā)國家之一，自上世紀以來共發(fā)生破壞性地震2600余次，其中6級以上破壞性地震600余次，平均每年5.4次。這些地震極大威脅了鐵路橋梁結構的安全。從唐山、海城兩次大地震的統(tǒng)計資料來看，鐵路橋梁在8度區(qū)和9度區(qū)的震害率分別達到20和76.47。2008年汶川地震同樣給鐵路橋梁結構帶來了嚴重破壞。寶成鐵路上的金龜巖大橋在地震中橋梁墩臺出現(xiàn)裂縫，上部結構產(chǎn)生橫向位移，致使寶成鐵路下行線行車中斷；廣岳鐵路上的穿心店大橋、石崗坪大橋、柿子坪大橋、燕子巖大橋、工讀中橋等多座橋梁均發(fā)生了不同程度的震害，造成全線中斷，嚴重遲滯

3、了救援進程，直至6月20日才恢復通車。橋梁結構在地震中的破壞，導致鐵路交通功能的喪失，大大增加了人員傷亡的數(shù)量，并引發(fā)了巨大的經(jīng)濟損失。為此，國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）中明確將橋梁結構的抗震安全列為公共安全領域的優(yōu)先主題。加強鐵路橋梁結構的災變行為分析與防御措施的研究具有極其重要的意義。橋墩是橋梁的下部支承結構物，其作用是承受上部板跨支座傳來的各種作用力，并將其傳遞到地基。在地震過程中，橋墩承受水平地震作用，是橋梁結構的重要抗側力構件，其抗震能力的好壞，直接關系到全橋的抗震性能。目前，我國公路橋梁橋墩多為鋼筋混凝土結構，一般采用基于延性的抗震設計理論進行設計；而鐵路和高

4、速鐵路橋墩大多為混凝土結構，這些橋墩具有平面尺寸大、剛度大、自重大、地震作用大的特點，且橋墩一般只配有少量的護面鋼筋，其截面配筋率通常在1以下，屬于典型的少筋混凝土結構。按照現(xiàn)代的抗震設計理論，這種不具備足夠延性能力的混凝土橋墩變形能力差，在地震過程中易于遭受破壞，并呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。但是，由于鐵路特別是高速鐵路要求在地震作用下橋墩不能產(chǎn)生過大的變形，以防列車脫軌或者震后搶修困難，這就需要鐵路橋墩具有較大的剛度以限制地震位移。正因為此，少筋混凝土橋墩在鐵路橋梁工程中必然出現(xiàn)。圖1為汶川地震中穿心店大橋和紅白場中橋的橋墩震害圖。由穿心店大橋2號墩 紅白場中橋1號墩圖1 汶川地震中的鐵路橋

5、墩震害圖1可見，少筋混凝土橋墩在強烈地震作用下，可能發(fā)生混凝土表面剝落、墩底的彎剪破壞等多種形式，而橋梁抗震設計中截面純彎曲破壞則較為少見。結構的每一種破壞模式都是不同地震破壞機制的表象，破壞模式不同，破壞過程和結構安全度也都是不同的。以往的設計常常是基于假定的破壞模式進行，如果假定的破壞模式在地震中與橋墩實際的破壞形式不相符合，這就使得所采取的工程措施不能有效地抵抗地震作用，最終造成結構失效。只有掌握少筋混凝土橋墩在地震作用下的損傷機理和災變演化過程，深刻認識其破壞機制，才能據(jù)此提出行之有效的設計方法和抗震措施。少筋混凝土橋墩由于截面配筋率低，在地震作用下一般呈現(xiàn)出脆性破壞的特征，這一點與現(xiàn)

6、行的基于延性的抗震設計理念不相符合。基于延性的抗震設計要求橋梁結構在地震作用下的塑性鉸出現(xiàn)在墩柱上，橋墩作為延性構件設計，可以發(fā)生彈塑性變形，并要求其具有一定的耗能能力。而我國鐵路橋墩為滿足結構剛度的要求，多是按照彈性工作狀態(tài)下設計的，如何最大限度地避免其發(fā)生脆性破壞，從結構的損傷機理上改變其破壞機制和模式，也是一個值得深入思考的問題。為此，本課題擬就少筋混凝土鐵路橋墩的地震破壞機制展開深入探討，綜合運用數(shù)值分析和結構試驗等技術手段，研究少筋混凝土鐵路橋墩在地震作用下的破壞過程、破壞模式，并給出其抗震設計指標和技術參數(shù)。本課題的研究將為提高我國鐵路橋梁結構的抗震能力，安全建設和運營提供科學支撐

7、和技術保障，具有重要的社會價值和科學意義。1. 2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析目前，少筋混凝土鐵路橋墩的抗震研究還較為少見，主要有：閻貴平等（1996）通過往復加載實驗，研究了少筋混凝土橋墩的荷載位移關系，延性比和累積耗能等抗震性能，討論了剪跨比和配箍率對破壞模式和延性動力參數(shù)的影響。李建中等（2006）針對鐵路橋梁單柱式橋墩，通過偽靜力試驗，研究了其延性抗震性能。比較分析了其配筋率、配箍率、箍筋布置形式、剪跨比等結構參量對試驗模型的耗能特性和包絡曲線特性的影響。上述研究的重點主要集中在少筋混凝土鐵路橋墩的抗震性能方面，定性地給出了各結構參量的影響作用。但是，對于少筋混凝土橋墩破壞機制和結構參

8、量影響作用定量化方面的研究還未見報道。相比少筋混凝土鐵路橋墩而言，國內外在鋼筋混凝土橋墩的抗震性能、破壞機制和抗震設計方法等方面已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。雖然，少筋混凝土橋墩由于其具有截面大、剛度大、配筋率低、列車荷載大等特點，很多適用于普通鋼筋混凝土橋墩的研究結論未必適用，但是，鋼筋混凝土橋墩抗震研究的很多成果和方法仍可為本課題的研究工作起到啟發(fā)和借鑒的作用。其中主要有：項海帆等（1993）在對典型橋墩的數(shù)值分析基礎上，提出了兩質點延性抗震簡化分析模型和相應的設計方法，并首次推導了決定單排樁基橋墩屈服截面位置的近似計算公式；范立礎等（1998）采用解析的方法探討了箍筋對鋼筋混凝土橋墩延性抗震

9、性能的影響，并通過回歸分析提出了配箍率與曲率延性的近似關系；孫利民等（2000）對獨柱式橋墩在橫向地震下的倒塌機理進行了分析，得出了其破壞倒塌的特點；秦東與范立礎（2001）采用擴展散體單元模擬了鋼筋混凝土橋墩的倒塌全過程；王東升等（2001）利用Pushover方法對4根典型鋼筋混凝土圓形截面雙柱式橋墩進行了延性抗震能力評價，認為橫橋向一些配箍率較低的橋墩在地震中會發(fā)生脆性的彎剪破壞；卓衛(wèi)東、范立礎（2002）依據(jù)試驗的研究成果和非線性回歸分析，建立了計算延性橋墩塑性鉸區(qū)范圍最低約束箍筋用量的計算公式；Pinto, A.V.等（2003）對矩形中空截面的大比例尺鋼筋混凝土橋墩模型進行了低周反

10、復荷載試驗，試驗表明這種橋墩的抗震能力不足，滯回性能和變形能力較差；柳春光，林皋（2003）根據(jù)隨機振動理論和可靠性理論，考慮橋墩單元參數(shù)不確定性等問題，建立了橋梁各單元的可靠度計算方法；朱晞（2005）提出了近場地震作用下鋼筋混凝土橋墩基于位移的抗震設計方法。Chung, Young Soo等（2006）對八根直徑600mm的鋼筋混凝土橋墩進行了偽靜力試驗，其中部分試件采用碳纖維加固，試驗結果表明碳纖維可以改善塑性鉸的抗彎性能。朱晞（2006）從變形能力的不確定方面研究了圓截面鋼筋混凝土橋墩曲率極限狀態(tài)和曲率延性系數(shù)，并采用抽樣模擬法分析了在不同的軸壓比、縱筋配筋率和配箍率下橋墩截面無量綱屈

11、服和破壞控制曲率極限狀態(tài)的概率特性；李宏男，王東升（2008）利用擬靜力和振動臺試驗的方法研究了鋼筋混凝土橋墩的抗震性能，通過研究認為，基于位移設計的鋼筋混凝土橋墩能夠達到預期的延性抗震要求。此外，北京交通大學土建學院已經(jīng)對少筋混凝土橋墩抗震性能進行了部分試驗，這些都為進一步揭示其地震破壞機制打下了基礎。參考文獻：1 閻貴平,項海帆, 具有單排樁基梁式橋墩的實用延性抗震驗算方法研究, 土木工程學報, 1993,26(2), p 48-572 Saiidi, M. Saiid, Straw, David, Monotonic and cyclic response of one-way rein

12、forced concrete bridge pier hinges in the strong direction, ACI Structural Journal, 1993,90(5), p 568-5733 Pinto, A.V., Molina, J., Tsionis, G., Monotonic and cyclic response of one-way reinforced concrete bridge pier hinges in the strong direction, ACI Structural Journal, 1993, 90(9), p 568-573 4 M

13、utsuyoshi, Hiroshi, Machida, Atsuhiko, Tanzo, William, Mashiko, Naoto，Inelastic seismic bilateral response behavior of RC bridge pier using pseudo-dynamic test method, Transactions of the Japan Concrete Institute, 1994,V16,p 265-2725 劉慶華,范立礎, 鋼筋混凝土橋墩的延性分析, 同濟大學學報：自然科學版, 1998,26(3), p 245-2496 秦東,孫利民

14、, 獨柱式橋墩在橫向地震下的倒塌機理分析, 華東公路, 2000,6, p9-117 王東升,郭恩棟, 鋼筋混凝土圓形截面柱式橋墩抗震性能評價,世界地震工程,2001,17(1), p 98-1028 秦東,范立礎, 鋼筋混凝土結構倒塌全過程數(shù)值模擬, 同濟大學學報：自然科學版, 2001,29(1), p80-839 卓衛(wèi)東,范立礎, 延性橋墩塑性鉸區(qū)最低約束箍筋用量, 土木工程學報, 2002,35(5), p 47-5110 柳春光，林皋, 洪峰，橋梁工程系統(tǒng)地震可靠性分析, 大連理工大學學報, 2003,43(1), p104-10811 黃建文,朱晞, 近場地震作用下鋼筋混凝土橋墩基

15、于位移的抗震設計, 土木工程學報, 2005,38(4), p84-9012 孫卓,李建中,閆貴平,范立礎, 鋼筋混凝土單柱式橋墩抗震性能試驗研究, 同濟大學學報：自然科學版, 2006,34(2), p160-16413 王建民,朱晞, 圓截面RC橋墩曲率極限狀態(tài)和延性的概率分析, 土木工程學報, 2006,39(12), p88-9414 Chung, Young Soo; Park, Chang Kyu; Lee, Dae Hyoung, Seismic performance of RC bridge piers subjected to moderate earthquakes, S

16、tructural Engineering and Mechanics, 2006,24(4), p 429-44615 司炳君,李宏男,王東升,孫治國,王清湘, 基于位移設計的鋼筋混凝土橋墩抗震性能試驗研究（）：擬靜力試驗, 地震工程與工程振動, 2008,28(1), p123-12916 艾慶華,李宏男,王東升,孟慶利,司炳君, 基于位移設計的鋼筋混凝土橋墩抗震性能試驗研究（）：振動臺試驗, 地震工程與工程振動, 2008,28(3), p39-462. 項目的研究內容、研究目標，以及擬解決的關鍵科學問題。21研究內容本課題擬對少筋混凝土鐵路橋墩的地震破壞機制展開深入研究。具體研究在地震

17、作用下少筋混凝土鐵路橋墩的損傷演化失效破壞機理，倒塌機制，破壞模式，破壞特點以及相關的影響控制因素。主要研究內容如下： 少筋混凝土鐵路橋墩的破壞模式少筋混凝土橋墩的地震破壞模式較為復雜。由于少筋混凝土橋墩主要承受上部板跨結構自重以及由地震作用產(chǎn)生的順橋和橫橋向水平推力，在受力上，屬壓彎剪復合受力，軸力、彎矩和剪力的耦合作用，使其非線性行為較為復雜，構件的破壞形式可能呈現(xiàn)出彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞等特征；對于高柔橋墩可能出現(xiàn)壓彎失穩(wěn)破壞；由于橋墩橫向鋼筋含量少，保護層混凝土剝落后還可能引起核心混凝土碎落，承載力急劇下降等。少筋混凝土橋墩的不同地震破壞模式主要受其剪跨比、長細比、配筋率、配箍率

18、等結構參量的影響。為此，本課題將通過低周反復荷載試驗和有限元分析方法，對少筋混凝土橋墩可能出現(xiàn)的地震破壞模式和各主要結構參量的影響作用展開深入研究。剪跨比是少筋混凝土橋墩斜截面抗剪的重要影響因素，其本質反映的是截面正應力和剪應力的比例關系。通常認為：剪跨比大，構件的破壞模式為彎曲破壞，剪跨比小，破壞模式呈現(xiàn)出剪切破壞特征。本課題將對不同剪跨比的少筋混凝土橋墩構件地震破壞模式進行研究，重點考察剪跨比變化與構件破壞模式之間的關系，通過研究給出少筋混凝土橋墩發(fā)生彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞所對應的剪跨比界限特征值。鐵路工程中由于線路和地勢要求，常常會修建長細比較大的高柔橋墩，這種橋墩在地震作用下可能

19、會由于較強的P效應而發(fā)生失穩(wěn)破壞。為此，本課題將對長細比影響作用進行研究，提出高柔橋墩失穩(wěn)和強度破壞的界限長細比，并對高柔橋墩的滯回曲線、延性和耗能能力等抗震性能進行分析。配筋率和配箍率低是少筋混凝土橋墩的典型特征，通常認為較低的配筋率將導致截面的脆性破壞，較低的配箍率不能對核心混凝土起到足夠的約束作用，且箍筋的抗剪貢獻弱。本課題擬通過對配筋率和配箍率的影響作用進行研究，重點考慮構件中所配有的少量縱筋和箍筋對橋墩地震承載力、變形能力、耗能能力、位移和截面延性的影響作用，并給出定量的分析計算公式。本課題還將考慮截面形式對橋墩破壞模式的影響，所研究的截面形式包括鐵路工程中常見的圓形、圓端形、矩形、

20、空心等多種形式。對于矩形截面，特別考慮其沿主、次軸雙向受剪時的地震破壞模式。對少筋混凝土橋墩破壞模式進行研究的一個重要目的就是尋找改善其脆性破壞的設計方法和抗震措施。本課題在仔細分析少筋混凝土橋墩破壞模式影響因素的基礎上，將通過對剪跨比、長細比、配筋率、配箍率等結構參量進行控制，提出適用于少筋混凝土鐵路橋墩的抗震設計方法。 少筋混凝土鐵路橋墩的累積損傷破壞和瞬時沖擊破壞由Park-Ang雙參數(shù)地震損傷模型可知，結構或構件的地震損傷指標由其滯回能和最大位移決定。其中，滯回能的大小就代表著累積損傷的程度。本課題擬對少筋混凝土鐵路橋墩的累積損傷破壞進行研究，通過分析低周反復荷載作用下少筋混凝土橋墩的

21、骨架曲線和滯回曲線，研究其強度、剛度退化和滯回能耗散規(guī)律，并通過試驗和數(shù)值計算，給出Park-Ang雙參數(shù)地震損傷模型中適用于少筋混凝土橋墩的參數(shù)取值，并據(jù)此提出相應的地震累計損傷指標。然后，利用所提出的累計損傷指標對少筋混凝土橋墩的承載力破壞曲面和剛度矩陣進行調整修正，建立基于累積損傷的少筋混凝土橋墩地震破壞模型。位于極震區(qū)的少筋混凝土鐵路橋墩還常常會受到近斷層地震的威脅，而近斷層地震所特有的強速度脈沖將會給結構帶來巨大的瞬時沖擊作用。瞬時沖擊作用對結構構件的破壞可以歸結為承載力或變形的極限超越問題。但是，在傳統(tǒng)的動力計算中，對構件組成材料的強度和本構關系一般還是沿用靜力試驗和分析的結果，這

22、與瞬時沖擊作用比較明顯的動力加載特性不相符合。眾所周知，在不同加載速度下，混凝土的力學性能與靜態(tài)時并不相同，抗拉強度、抗壓強度、極限應變、破壞面的演化、剛度甚至混凝土的斷裂損傷情況都會有所變化。為此，本課題將從混凝土動態(tài)特性上，對應變率影響下的混凝土損傷模型進行研究，建立少筋混凝土橋墩瞬時沖擊破壞模型。 少筋混凝土鐵路橋墩的倒塌分析倒塌過程是損傷累積由量變到質變的漸進過程。本課題對少筋混凝土鐵路橋墩進行倒塌分析，就是要通過已確定的地震破壞模式和累積、動力損傷模型，對少筋混凝土橋墩在地震作用下的破壞全過程進行分析，深入探討其破壞力學機理和失效演化過程，揭示其在地震中的真實工作性態(tài)。為準確描述少筋

23、混凝土橋墩在地震作用下的倒塌過程，本課題擬通過連續(xù)介質力學、彈塑性力學、斷裂損傷力學的理論與方法，借助計算機數(shù)值仿真技術，模擬少筋混凝土橋墩由開裂、屈服、混凝土剝落、縱筋拉斷一直到最終倒塌整個破壞過程中的高度非線性行為（主要包括混凝土的裂面效應、鋼筋的粘結滑移、材料的應力軟化等），提出地震作用下少筋混凝土鐵路橋墩的倒塌分析方法。22研究目標本項目擬通過對少筋混凝土鐵路橋墩地震破壞機制的研究，探討其在地震作用下的破壞過程、破壞模式，損傷失效演化機理，分析其滯回性能和不同階段的破壞特征，揭示其在地震中的真實工作性態(tài)，并針對少筋混凝土鐵路橋墩，給出其抗震設計指標和相關技術參數(shù)。23擬解決的關鍵科學問

24、題本課題在研究中擬解決的關鍵科學問題有：研究剪跨比、長細比、配筋率、配箍率等結構參量對少筋混凝土橋墩抗震性能和地震破壞模式的影響作用，并提出上述結構參量與少筋混凝土橋墩不同地震破壞模式之間的定量關系。研究多種截面形式對少筋混凝土橋墩地震破壞模式的影響作用，探討其影響規(guī)律。通過對剪跨比、長細比、配筋率、配箍率等結構參量進行設計，提出適用于少筋混凝土鐵路橋墩的抗震設計方法。研究少筋混凝土橋墩強度、剛度在反復荷載作用下的退化規(guī)律和滯回能耗散規(guī)律，給出Park-Ang雙參數(shù)地震損傷模型中適用于少筋混凝土橋墩的參數(shù)取值，提出地震累計損傷指標，建立基于累積損傷的少筋混凝土橋墩地震破壞模型。在對混凝土動態(tài)特

25、性深入研究的基礎上，研究基于應變率影響下的混凝土損傷模型，建立少筋混凝土橋墩瞬時沖擊破壞模型。研究少筋混凝土鐵路橋墩倒塌過程中高度非線性行為的計算機數(shù)值仿真技術，提出地震作用下少筋混凝土鐵路橋墩的倒塌分析方法。3. 擬采取的研究方案及可行性分析。（包括有關方法、技術路線、實驗手段、關鍵技術等說明）31 擬采取的研究方案1）收集、整理、研究國內外成果本課題組在對少筋混凝土鐵路橋墩地震破壞機制進行深入研究之前，首先要對鋼筋混凝土橋墩抗震性能、破壞機制、抗震設計方法、材料本構關系和恢復力模型、構件損傷指標和失效破壞準則、結構和構件倒塌分析等方面已有的國內外研究成果作進一步的收集、整理，通過對現(xiàn)有資料

26、的仔細調研，總結前人研究經(jīng)驗，為本項目的深入研究打下堅實的基礎。2）理論研究從現(xiàn)有的連續(xù)介質力學、彈塑性力學、斷裂損傷力學、鋼筋混凝土結構、鐵路橋梁結構等基本原理出發(fā)，從力學機理上探討少筋混凝土鐵路橋墩地震破壞模式、累積損傷破壞、瞬時沖擊破壞、失效演化機制，研究剪跨比、長細比、配筋率、配箍率等結構參量對少筋混凝土橋墩抗震性能和地震破壞模式的影響作用，并提出上述結構參量與少筋混凝土橋墩不同地震破壞模式之間的定量關系，建立基于累積損傷和瞬時沖擊的少筋混凝土橋墩地震破壞模型，提出地震作用下少筋混凝土鐵路橋墩的倒塌分析方法，這些都需要進行深入的理論研究。3）數(shù)值分析數(shù)值分析是本課題研究的重要手段。借助

27、有限元技術，采用數(shù)值計算方法一方面便于定量分析剪跨比、長細比、配筋率、配箍率等多項結構參量對少筋混凝土橋墩抗震性能與地震破壞模式的影響作用，另一方面還可以全面模擬橋墩在地震作用下由開裂、屈服、混凝土剝落、縱筋拉斷到倒塌的破壞過程，真實描述其損傷失效演化機制。4）試驗研究本項目擬進行下列試驗研究：少筋混凝土鐵路橋墩的低周反復荷載試驗通過低周反復荷載試驗，研究少筋混凝土鐵路橋墩的抗震性能和地震破壞機制。考察剪跨比、長細比、配筋率、配箍率等多項結構參量的影響作用，結合理論分析，研究截面形式對地震破壞模式的影響作用，總結少筋混凝土橋墩在反復荷載作用下強度、剛度退化和滯回能耗散的規(guī)律和揭示少筋混凝土鐵路橋墩的倒塌機理。32 可行性分析本項目是建立在對國內外成果的總結分析基礎上，通過理論研究，數(shù)值分析，試驗研究等方法，對少筋混凝土鐵路橋墩的地震破壞機制進行研究，其研究方案是可行的。本項目組成員具有較好的研究工作積累，為完成本項目的研究工作奠定了基礎。北京交通大學土建學院結構試驗室具有MTS擬動力試驗機、多臺高精度動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，前期已經(jīng)對少筋混凝土橋墩抗震性能進行了部分試驗，這一切都為本