【52监测网】第172期 拱桥抗震研究现状与思考
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52监测网专家报告分享-第172期 《拱桥抗震研究现状与思考》 徐略勤 重庆交通大学/山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 目录 一、拱桥抗震研究背景 二、拱桥抗震关键问题 三、拱桥抗震研究现状 四、拱桥抗震研究的若干探索 五、结论与展望 内容介绍 一、拱桥抗震研究背景 我国拱桥抗震形势 1）我国拱桥数量众多： • ≥100m砼拱桥：约300座； • ≥100m钢拱桥：约60座； • ≥100钢管砼拱桥：约260座； 2）我国拱桥约有70%位于西南地区： • 沟壑纵横，适宜建造拱桥； • 强震频发，抗震隐患巨大； 拱桥的抗震性能是否足够好？
拱桥震害特点 1）走极端：要么基本完好，要么严重受损甚至倒塌，圬工拱尤甚。
2）材料影响很大：圬工拱桥震损比例远高于钢筋混凝土拱桥，完全失效的比例是5:1。
3）拱上建筑/桥面系震害略多于主拱：实腹和空腹式拱上建筑均易产生震害，拱式腹拱尤甚。 4）肋拱桥的横撑易损：横撑易失效，导致拱肋单独承载，加剧震害。
5）近断层和跨断层问题突出：高次超静定结构，对地基变形尤其敏感。
两座高难度的拱桥抗震实例 1）实例一：净跨300m上承式钢管混凝土拱桥方案，设计基本地震动PGA为0.35g，罕遇地震PGA达0.71g，桥址场地下游约1km处存在活动断层。 2）实例二：主跨500m上承式钢管混凝土拱桥方案，设计基本地震动PGA为0.21g，罕遇地震PGA达0.41g，深切河谷地带局部场地效应非常突出。
二、拱桥抗震关键问题 1）问题一 地震动模拟与输入：近断层地震动的方向性效应，滑冲效应和上盘效应；河谷/峡谷地带局部场地效应；行波效应；等；
2）问题二 主拱抗震：主拱轴压比高；延性能力低；修复难度大；减隔震设计空间小；等。 3）问题三 拱上建筑抗震：高度非规则结构；主拱滤波和各立柱底部非同步振动；三向耦合响应；等；
4）问题四 大跨拱桥成桥过程/初始内力状态的影响与模拟：应力分布不满足平截面假定；主拱动轴力变幅大；初始内力状态对动力本构的影响不明确；等。
5）问题五 拱桥抗战性能评估：材料、截面、构件、体系等不同层面的评估理论与方法欠缺；成桥内力状态对抗震能力和损伤指标的影响不明确；等；
三、拱桥抗震研究现状 各国主要桥梁抗震规范 • 主要提供概念设计原则； • 设防准则、性能目标、抗震设计理念、验算方法尚缺乏针对性； • 要求专项设计，但典型案例较少；
国内外研究工作概览 • 国内外关于拱桥抗震的研究文献不超过1500篇，远少于桥梁、斜拉桥等桥型，且中文文献居多； • 涉及面很广，但系统性和针对性相对较弱：地震动空间效应、抗震性能评估、加固修复分析、易损性分析、减隔震分析等均有涉及； • 数值模拟居多，理论和试验研究较为欠缺。
四、拱桥抗震研究的若干探索 1）探索一：地震三维强度指标优选与构建 • 针对拱桥三向耦合地震响应特点，提出了地震三维强度指标概念，构建了优选方法； • 从相关性、有效性、适用性和充分性角度对比分析了现有几十种一维强度指标及三维强度指标的表征强度。
2）探索二：近断层地震动及其空间效应影响下大跨拱桥抗震性能分析 • 基于归一化积累平方速度指数（NCSV）探讨近断层脉冲型地震效应； • 分析了深切河谷场地效应、地震动行波效应对大跨拱桥的影响；
3）探索三：大跨拱桥考虑初始内力状态的抗震分析方法与模型 • 研究了大跨拱桥考虑成桥过程和自平衡状态的抗震分析方法； • 初步探讨了初始内力状态对大跨拱桥动力特性和地震响应的影响；
4）探索四：大跨钢管混凝土主拱减震方法
5）探索五：肋拱桥的拱-撑地震动力相互作用 • 研究了地震作用下肋拱桥不同横撑布设方案下的损伤模式识别方法； • 提出了地震作用下肋拱桥基于既定损伤模式的横撑优化设计方法。
6）探索六：拱上建筑耦合地震响应分析： • 研究了长联连续拱上建筑支座负返力以及主梁三向耦合地震响应规律； • 基于跨尺度模拟，研究了大跨拱桥非规则拱上建筑多点碰撞现象。
7）探索七：大跨拱桥抗震性能评估方法 • 探讨了主拱截面基于PMM屈服面的抗震能力评估方法； • 提出了基于目标构件首次损伤超越时间的拱桥结构体系损伤次序分析方法；
五、结论与展望 结论 • 拱桥的历史震害现象仅次于梁桥，且具有独特的地震损伤/破坏特征，属于受震敏感桥型之一。 • 拱桥抗震设计在规范成熟度方面明显低于梁桥，系统性的研究工作亟待开展。 • 针对高烈度山区的拱桥抗震问题，山区桥梁及隧道工程国家重点实验室在地震动输入与表征、局部场地效应、考虑成桥过程和初始内力状态的拱桥抗震分析方法、大跨拱桥减震方法与装置、拱桥抗震性能评估方法等方面开展了积极的探索，初步获得了一些结论。 展望 • 拱桥是我国交通路网跨越山地、峡谷的重要桥型之一，西部地区强震频发、断裂带纵横交错，给拱桥的建设与运维带来了严峻的挑战。 • 结合进藏公路、铁路大跨拱桥的抗震需求，依托山区桥梁及隧道工程国家重点实验室牵头的十余座大跨拱桥项目，从理论突破、方法构建、装置研发和工程应用等方面展开科研攻关，期待与各位专家同仁共同努力，促进我国拱桥防震减灾技术的进步！
重庆交通大学山区桥梁及隧道国家重点实验室正在开展主跨600米世界最大跨拱桥的1:10缩尺模型试验（60m），为千米级拱桥跨径突破奠定理论基础。
《拱桥抗震研究现状与思考》 徐略勤 重庆交通大学/山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 注：本内容仅供个人研学交流，版权归原作者所有 |
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