少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制研究2

1、少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制研究（一） 立项依据与研究内容1. 项目的立项依据1.1研究意义近十几年来，我国铁路工程的迅速发展带动了铁路桥梁建设技术的飞跃。目前已建成了一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、科技含量高的桥梁结构。以南京大胜关长江大桥、武汉天兴洲长江大桥、沪通长江大桥、郑州黄河大桥等为代表的铁路桥梁正向着大跨度、高速度的技术方向迈进，多座更大跨度的铁路桥梁，如济南黄河铁路大桥、安庆长江铁路大桥、鄱阳湖铁路大桥和澜沧江铁路大桥等也正在设计建设中。铁路桥梁建设的快速发展，在推动学科技术进步的同时，也向研究人员和工程人员提出了更高的技术要求和挑战。桥梁结构是铁路交通中的重要基

2、础设施和生命线工程，在地震中直接关系到人民生命财产的安全和震后救援。我国是世界上地震多发国家之一，自上世纪以来共发生破坏性地震2600余次，其中6级以上破坏性地震600余次，平均每年5.4次。这些地震极大威胁了铁路桥梁结构的安全。从唐山、海城两次大地震的统计资料来看，铁路桥梁在8度区和9度区的震害率分别达到20和76.47。2008年汶川地震同样给铁路桥梁结构带来了严重破坏。宝成铁路上的金龟岩大桥在地震中桥梁墩台出现裂缝，上部结构产生横向位移，致使宝成铁路下行线行车中断；广岳铁路上的穿心店大桥、石岗坪大桥、柿子坪大桥、燕子岩大桥、工读中桥等多座桥梁均发生了不同程度的震害，造成全线中断，严重迟滞

3、了救援进程，直至6月20日才恢复通车。桥梁结构在地震中的破坏，导致铁路交通功能的丧失，大大增加了人员伤亡的数量，并引发了巨大的经济损失。为此，国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）中明确将桥梁结构的抗震安全列为公共安全领域的优先主题。加强铁路桥梁结构的灾变行为分析与防御措施的研究具有极其重要的意义。桥墩是桥梁的下部支承结构物，其作用是承受上部板跨支座传来的各种作用力，并将其传递到地基。在地震过程中，桥墩承受水平地震作用，是桥梁结构的重要抗侧力构件，其抗震能力的好坏，直接关系到全桥的抗震性能。目前，我国公路桥梁桥墩多为钢筋混凝土结构，一般采用基于延性的抗震设计理论进行设计；而铁路和高

4、速铁路桥墩大多为混凝土结构，这些桥墩具有平面尺寸大、刚度大、自重大、地震作用大的特点，且桥墩一般只配有少量的护面钢筋，其截面配筋率通常在1以下，属于典型的少筋混凝土结构。按照现代的抗震设计理论，这种不具备足够延性能力的混凝土桥墩变形能力差，在地震过程中易于遭受破坏，并呈现出明显的脆性破坏特征。但是，由于铁路特别是高速铁路要求在地震作用下桥墩不能产生过大的变形，以防列车脱轨或者震后抢修困难，这就需要铁路桥墩具有较大的刚度以限制地震位移。正因为此，少筋混凝土桥墩在铁路桥梁工程中必然出现。图1为汶川地震中穿心店大桥和红白场中桥的桥墩震害图。由穿心店大桥2号墩 红白场中桥1号墩图1 汶川地震中的铁路桥

5、墩震害图1可见，少筋混凝土桥墩在强烈地震作用下，可能发生混凝土表面剥落、墩底的弯剪破坏等多种形式，而桥梁抗震设计中截面纯弯曲破坏则较为少见。结构的每一种破坏模式都是不同地震破坏机制的表象，破坏模式不同，破坏过程和结构安全度也都是不同的。以往的设计常常是基于假定的破坏模式进行，如果假定的破坏模式在地震中与桥墩实际的破坏形式不相符合，这就使得所采取的工程措施不能有效地抵抗地震作用，最终造成结构失效。只有掌握少筋混凝土桥墩在地震作用下的损伤机理和灾变演化过程，深刻认识其破坏机制，才能据此提出行之有效的设计方法和抗震措施。少筋混凝土桥墩由于截面配筋率低，在地震作用下一般呈现出脆性破坏的特征，这一点与现

6、行的基于延性的抗震设计理念不相符合。基于延性的抗震设计要求桥梁结构在地震作用下的塑性铰出现在墩柱上，桥墩作为延性构件设计，可以发生弹塑性变形，并要求其具有一定的耗能能力。而我国铁路桥墩为满足结构刚度的要求，多是按照弹性工作状态下设计的，如何最大限度地避免其发生脆性破坏，从结构的损伤机理上改变其破坏机制和模式，也是一个值得深入思考的问题。为此，本课题拟就少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制展开深入探讨，综合运用数值分析和结构试验等技术手段，研究少筋混凝土铁路桥墩在地震作用下的破坏过程、破坏模式，并给出其抗震设计指标和技术参数。本课题的研究将为提高我国铁路桥梁结构的抗震能力，安全建设和运营提供科学支撑

7、和技术保障，具有重要的社会价值和科学意义。1. 2国内外研究现状及发展动态分析目前，少筋混凝土铁路桥墩的抗震研究还较为少见，主要有：阎贵平等（1996）通过往复加载实验，研究了少筋混凝土桥墩的荷载位移关系，延性比和累积耗能等抗震性能，讨论了剪跨比和配箍率对破坏模式和延性动力参数的影响。李建中等（2006）针对铁路桥梁单柱式桥墩，通过伪静力试验，研究了其延性抗震性能。比较分析了其配筋率、配箍率、箍筋布置形式、剪跨比等结构参量对试验模型的耗能特性和包络曲线特性的影响。上述研究的重点主要集中在少筋混凝土铁路桥墩的抗震性能方面，定性地给出了各结构参量的影响作用。但是，对于少筋混凝土桥墩破坏机制和结构参

8、量影响作用定量化方面的研究还未见报道。相比少筋混凝土铁路桥墩而言，国内外在钢筋混凝土桥墩的抗震性能、破坏机制和抗震设计方法等方面已经取得了丰硕的研究成果。虽然，少筋混凝土桥墩由于其具有截面大、刚度大、配筋率低、列车荷载大等特点，很多适用于普通钢筋混凝土桥墩的研究结论未必适用，但是，钢筋混凝土桥墩抗震研究的很多成果和方法仍可为本课题的研究工作起到启发和借鉴的作用。其中主要有：项海帆等（1993）在对典型桥墩的数值分析基础上，提出了两质点延性抗震简化分析模型和相应的设计方法，并首次推导了决定单排桩基桥墩屈服截面位置的近似计算公式；范立础等（1998）采用解析的方法探讨了箍筋对钢筋混凝土桥墩延性抗震

9、性能的影响，并通过回归分析提出了配箍率与曲率延性的近似关系；孙利民等（2000）对独柱式桥墩在横向地震下的倒塌机理进行了分析，得出了其破坏倒塌的特点；秦东与范立础（2001）采用扩展散体单元模拟了钢筋混凝土桥墩的倒塌全过程；王东升等（2001）利用Pushover方法对4根典型钢筋混凝土圆形截面双柱式桥墩进行了延性抗震能力评价，认为横桥向一些配箍率较低的桥墩在地震中会发生脆性的弯剪破坏；卓卫东、范立础（2002）依据试验的研究成果和非线性回归分析，建立了计算延性桥墩塑性铰区范围最低约束箍筋用量的计算公式；Pinto, A.V.等（2003）对矩形中空截面的大比例尺钢筋混凝土桥墩模型进行了低周反

10、复荷载试验，试验表明这种桥墩的抗震能力不足，滞回性能和变形能力较差；柳春光，林皋（2003）根据随机振动理论和可靠性理论，考虑桥墩单元参数不确定性等问题，建立了桥梁各单元的可靠度计算方法；朱晞（2005）提出了近场地震作用下钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法。Chung, Young Soo等（2006）对八根直径600mm的钢筋混凝土桥墩进行了伪静力试验，其中部分试件采用碳纤维加固，试验结果表明碳纤维可以改善塑性铰的抗弯性能。朱晞（2006）从变形能力的不确定方面研究了圆截面钢筋混凝土桥墩曲率极限状态和曲率延性系数，并采用抽样模拟法分析了在不同的轴压比、纵筋配筋率和配箍率下桥墩截面无量纲屈

11、服和破坏控制曲率极限状态的概率特性；李宏男，王东升（2008）利用拟静力和振动台试验的方法研究了钢筋混凝土桥墩的抗震性能，通过研究认为，基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求。此外，北京交通大学土建学院已经对少筋混凝土桥墩抗震性能进行了部分试验，这些都为进一步揭示其地震破坏机制打下了基础。参考文献：1 阎贵平,项海帆, 具有单排桩基梁式桥墩的实用延性抗震验算方法研究, 土木工程学报, 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 刘庆华,范立础, 钢筋混凝土桥墩的延性分析, 同济大学学报：自然科学版, 1998,26(3), p 245-2496 秦东,孙利民

14、, 独柱式桥墩在横向地震下的倒塌机理分析, 华东公路, 2000,6, p9-117 王东升,郭恩栋, 钢筋混凝土圆形截面柱式桥墩抗震性能评价,世界地震工程,2001,17(1), p 98-1028 秦东,范立础, 钢筋混凝土结构倒塌全过程数值模拟, 同济大学学报：自然科学版, 2001,29(1), p80-839 卓卫东,范立础, 延性桥墩塑性铰区最低约束箍筋用量, 土木工程学报, 2002,35(5), p 47-5110 柳春光，林皋, 洪峰，桥梁工程系统地震可靠性分析, 大连理工大学学报, 2003,43(1), p104-10811 黄建文,朱晞, 近场地震作用下钢筋混凝土桥墩基

15、于位移的抗震设计, 土木工程学报, 2005,38(4), p84-9012 孙卓,李建中,闫贵平,范立础, 钢筋混凝土单柱式桥墩抗震性能试验研究, 同济大学学报：自然科学版, 2006,34(2), p160-16413 王建民,朱晞, 圆截面RC桥墩曲率极限状态和延性的概率分析, 土木工程学报, 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,王东升,孙治国,王清湘, 基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究（）：拟静力试验, 地震工程与工程振动, 2008,28(1), p123-12916 艾庆华,李宏男,王东升,孟庆利,司炳君, 基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究（）：振动台试验, 地震工程与工程振动, 2008,28(3), p39-462. 项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题。21研究内容本课题拟对少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制展开深入研究。具体研究在地震

17、作用下少筋混凝土铁路桥墩的损伤演化失效破坏机理，倒塌机制，破坏模式，破坏特点以及相关的影响控制因素。主要研究内容如下： 少筋混凝土铁路桥墩的破坏模式少筋混凝土桥墩的地震破坏模式较为复杂。由于少筋混凝土桥墩主要承受上部板跨结构自重以及由地震作用产生的顺桥和横桥向水平推力，在受力上，属压弯剪复合受力，轴力、弯矩和剪力的耦合作用，使其非线性行为较为复杂，构件的破坏形式可能呈现出弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏等特征；对于高柔桥墩可能出现压弯失稳破坏；由于桥墩横向钢筋含量少，保护层混凝土剥落后还可能引起核心混凝土碎落，承载力急剧下降等。少筋混凝土桥墩的不同地震破坏模式主要受其剪跨比、长细比、配筋率、配箍率

18、等结构参量的影响。为此，本课题将通过低周反复荷载试验和有限元分析方法，对少筋混凝土桥墩可能出现的地震破坏模式和各主要结构参量的影响作用展开深入研究。剪跨比是少筋混凝土桥墩斜截面抗剪的重要影响因素，其本质反映的是截面正应力和剪应力的比例关系。通常认为：剪跨比大，构件的破坏模式为弯曲破坏，剪跨比小，破坏模式呈现出剪切破坏特征。本课题将对不同剪跨比的少筋混凝土桥墩构件地震破坏模式进行研究，重点考察剪跨比变化与构件破坏模式之间的关系，通过研究给出少筋混凝土桥墩发生弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏所对应的剪跨比界限特征值。铁路工程中由于线路和地势要求，常常会修建长细比较大的高柔桥墩，这种桥墩在地震作用下可能

19、会由于较强的P效应而发生失稳破坏。为此，本课题将对长细比影响作用进行研究，提出高柔桥墩失稳和强度破坏的界限长细比，并对高柔桥墩的滞回曲线、延性和耗能能力等抗震性能进行分析。配筋率和配箍率低是少筋混凝土桥墩的典型特征，通常认为较低的配筋率将导致截面的脆性破坏，较低的配箍率不能对核心混凝土起到足够的约束作用，且箍筋的抗剪贡献弱。本课题拟通过对配筋率和配箍率的影响作用进行研究，重点考虑构件中所配有的少量纵筋和箍筋对桥墩地震承载力、变形能力、耗能能力、位移和截面延性的影响作用，并给出定量的分析计算公式。本课题还将考虑截面形式对桥墩破坏模式的影响，所研究的截面形式包括铁路工程中常见的圆形、圆端形、矩形、

20、空心等多种形式。对于矩形截面，特别考虑其沿主、次轴双向受剪时的地震破坏模式。对少筋混凝土桥墩破坏模式进行研究的一个重要目的就是寻找改善其脆性破坏的设计方法和抗震措施。本课题在仔细分析少筋混凝土桥墩破坏模式影响因素的基础上，将通过对剪跨比、长细比、配筋率、配箍率等结构参量进行控制，提出适用于少筋混凝土铁路桥墩的抗震设计方法。 少筋混凝土铁路桥墩的累积损伤破坏和瞬时冲击破坏由Park-Ang双参数地震损伤模型可知，结构或构件的地震损伤指标由其滞回能和最大位移决定。其中，滞回能的大小就代表着累积损伤的程度。本课题拟对少筋混凝土铁路桥墩的累积损伤破坏进行研究，通过分析低周反复荷载作用下少筋混凝土桥墩的

21、骨架曲线和滞回曲线，研究其强度、刚度退化和滞回能耗散规律，并通过试验和数值计算，给出Park-Ang双参数地震损伤模型中适用于少筋混凝土桥墩的参数取值，并据此提出相应的地震累计损伤指标。然后，利用所提出的累计损伤指标对少筋混凝土桥墩的承载力破坏曲面和刚度矩阵进行调整修正，建立基于累积损伤的少筋混凝土桥墩地震破坏模型。位于极震区的少筋混凝土铁路桥墩还常常会受到近断层地震的威胁，而近断层地震所特有的强速度脉冲将会给结构带来巨大的瞬时冲击作用。瞬时冲击作用对结构构件的破坏可以归结为承载力或变形的极限超越问题。但是，在传统的动力计算中，对构件组成材料的强度和本构关系一般还是沿用静力试验和分析的结果，这

22、与瞬时冲击作用比较明显的动力加载特性不相符合。众所周知，在不同加载速度下，混凝土的力学性能与静态时并不相同，抗拉强度、抗压强度、极限应变、破坏面的演化、刚度甚至混凝土的断裂损伤情况都会有所变化。为此，本课题将从混凝土动态特性上，对应变率影响下的混凝土损伤模型进行研究，建立少筋混凝土桥墩瞬时冲击破坏模型。 少筋混凝土铁路桥墩的倒塌分析倒塌过程是损伤累积由量变到质变的渐进过程。本课题对少筋混凝土铁路桥墩进行倒塌分析，就是要通过已确定的地震破坏模式和累积、动力损伤模型，对少筋混凝土桥墩在地震作用下的破坏全过程进行分析，深入探讨其破坏力学机理和失效演化过程，揭示其在地震中的真实工作性态。为准确描述少筋

23、混凝土桥墩在地震作用下的倒塌过程，本课题拟通过连续介质力学、弹塑性力学、断裂损伤力学的理论与方法，借助计算机数值仿真技术，模拟少筋混凝土桥墩由开裂、屈服、混凝土剥落、纵筋拉断一直到最终倒塌整个破坏过程中的高度非线性行为（主要包括混凝土的裂面效应、钢筋的粘结滑移、材料的应力软化等），提出地震作用下少筋混凝土铁路桥墩的倒塌分析方法。22研究目标本项目拟通过对少筋混凝土铁路桥墩地震破坏机制的研究，探讨其在地震作用下的破坏过程、破坏模式，损伤失效演化机理，分析其滞回性能和不同阶段的破坏特征，揭示其在地震中的真实工作性态，并针对少筋混凝土铁路桥墩，给出其抗震设计指标和相关技术参数。23拟解决的关键科学问

24、题本课题在研究中拟解决的关键科学问题有：研究剪跨比、长细比、配筋率、配箍率等结构参量对少筋混凝土桥墩抗震性能和地震破坏模式的影响作用，并提出上述结构参量与少筋混凝土桥墩不同地震破坏模式之间的定量关系。研究多种截面形式对少筋混凝土桥墩地震破坏模式的影响作用，探讨其影响规律。通过对剪跨比、长细比、配筋率、配箍率等结构参量进行设计，提出适用于少筋混凝土铁路桥墩的抗震设计方法。研究少筋混凝土桥墩强度、刚度在反复荷载作用下的退化规律和滞回能耗散规律，给出Park-Ang双参数地震损伤模型中适用于少筋混凝土桥墩的参数取值，提出地震累计损伤指标，建立基于累积损伤的少筋混凝土桥墩地震破坏模型。在对混凝土动态特

25、性深入研究的基础上，研究基于应变率影响下的混凝土损伤模型，建立少筋混凝土桥墩瞬时冲击破坏模型。研究少筋混凝土铁路桥墩倒塌过程中高度非线性行为的计算机数值仿真技术，提出地震作用下少筋混凝土铁路桥墩的倒塌分析方法。3. 拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）31 拟采取的研究方案1）收集、整理、研究国内外成果本课题组在对少筋混凝土铁路桥墩地震破坏机制进行深入研究之前，首先要对钢筋混凝土桥墩抗震性能、破坏机制、抗震设计方法、材料本构关系和恢复力模型、构件损伤指标和失效破坏准则、结构和构件倒塌分析等方面已有的国内外研究成果作进一步的收集、整理，通过对现有资料

26、的仔细调研，总结前人研究经验，为本项目的深入研究打下坚实的基础。2）理论研究从现有的连续介质力学、弹塑性力学、断裂损伤力学、钢筋混凝土结构、铁路桥梁结构等基本原理出发，从力学机理上探讨少筋混凝土铁路桥墩地震破坏模式、累积损伤破坏、瞬时冲击破坏、失效演化机制，研究剪跨比、长细比、配筋率、配箍率等结构参量对少筋混凝土桥墩抗震性能和地震破坏模式的影响作用，并提出上述结构参量与少筋混凝土桥墩不同地震破坏模式之间的定量关系，建立基于累积损伤和瞬时冲击的少筋混凝土桥墩地震破坏模型，提出地震作用下少筋混凝土铁路桥墩的倒塌分析方法，这些都需要进行深入的理论研究。3）数值分析数值分析是本课题研究的重要手段。借助

27、有限元技术，采用数值计算方法一方面便于定量分析剪跨比、长细比、配筋率、配箍率等多项结构参量对少筋混凝土桥墩抗震性能与地震破坏模式的影响作用，另一方面还可以全面模拟桥墩在地震作用下由开裂、屈服、混凝土剥落、纵筋拉断到倒塌的破坏过程，真实描述其损伤失效演化机制。4）试验研究本项目拟进行下列试验研究：少筋混凝土铁路桥墩的低周反复荷载试验通过低周反复荷载试验，研究少筋混凝土铁路桥墩的抗震性能和地震破坏机制。考察剪跨比、长细比、配筋率、配箍率等多项结构参量的影响作用，结合理论分析，研究截面形式对地震破坏模式的影响作用，总结少筋混凝土桥墩在反复荷载作用下强度、刚度退化和滞回能耗散的规律和揭示少筋混凝土铁路桥墩的倒塌机理。32 可行性分析本项目是建立在对国内外成果的总结分析基础上，通过理论研究，数值分析，试验研究等方法，对少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制进行研究，其研究方案是可行的。本项目组成员具有较好的研究工作积累，为完成本项目的研究工作奠定了基础。北京交通大学土建学院结构试验室具有MTS拟动力试验机、多台高精度动态数据采集系统，前期已经对少筋混凝土桥墩抗震性能进行了部分试验，这一切都为本