独柱式桥墩在横向地震下的倒塌机理分析

3　收稿日期:2000209228

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59778029)

文章编号:1001-7291(2000)06-0009-03 文献标识码:B ・桥

梁・

独柱式桥墩在横向地震下的倒塌机理分析

●秦　东　孙利民　范立础 (同济大学桥梁工程系　上海　200092)

【摘要】　在城市桥梁中大量采用的独柱式桥墩,由于其自身的结构弱点,在横向地震作用

下易于倒塌。为了采取有效的抗震构造措施,保证独柱式桥墩大震不倒,必须弄清其破坏倒塌机理。通过日本阪神高速线高架桥的倒塌分析,对独柱式桥墩在横向地震下的破坏倒塌机理进行了分析研究。

关键词　独柱式桥墩　倒塌机理

城市立交桥与高架桥是城市现代化交通网络的重要组成部分,由于受到城市用地的限制,广泛使用了钢筋混凝土独柱式桥墩。由于这种体系自身的弱点,其抗震能力较弱,在横向地震作用下,桥墩容易破坏,并随之发生侧向倒塌。最为典型的一次震害是1995年日本阪神地震。因此,桥梁抗震不仅要求小震不坏,而且应保证大震不倒。

为了在今后采取有效的抗震构造措施,保证独柱式桥墩大震不倒,必须首先弄清独柱式桥墩在横向地震下的破坏倒塌机理。本文通过日本阪神高速线高架桥倒塌的数值模拟计算,对独柱式桥墩在横向地震下的倒塌机理进行了分析研究。1　阪神高速线高架桥的倒塌模拟

日本阪神地震发生于1995年1月17日,造成了高速公路桥梁的广泛破坏,

其中阪神高速线在神户市图1　

阪神高速线高架桥桥墩配筋示意

图2　

桥墩散体单元计算模型示意

图3　阪神地震JM A 波示意

内的高架桥,一共有18跨独柱墩发生剪切破坏,大

第6期(总第127期)华东公路No.6(T otal No.127)

2000年12月20日E AST CHI NA HIGHW AY December 2000

图4　桥墩倒塌全过程示意

约500m 的一段彻底发生侧向倒塌。图1是其中的一座桥墩示意图,墩身直径313m ,墩身纵向钢筋在底

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01—华东公路2000年第6期

部采用3圈一共180根直径35mm 的钢筋,桥墩水平设计地震为012g ,桥墩上部结构重量为1262164t 。纵向钢筋在距其底部大约315m 高处,切断了1Π3。运用扩展散体单元法建立的桥墩计算模型如图2所示(关于扩展散体单元法的基本原理,可参考文献[1])。由于高架桥的破坏集中在下部结构,而上部结构在地震中处于弹性阶段,因此,桥墩部分单元的尺寸划分较细,上部单元的尺寸划分较粗。

采用阪神地震记录的JM A 波(图3)对该桥墩进行动力时程分析,从图4可以清晰地看到桥墩从屈服破坏到倒塌的全过程,数值模拟与实际震害取得了一

致的结果[2][3]

。图5为墩顶位移时程曲线,图6为墩顶加速度时程曲线。

从JM A 波的波形(图3)及结构的墩顶位移时程曲线(图5)可以发现,在t =7162s 以前,地震加速度均未超过012g ,桥墩未发生屈服,仅在初始平衡位置附近反复的小幅振动。在随后的一系列较大值地震加速度作用下,桥墩迅速发生屈服。在大约t =715s 左右时,墩顶位移已经超过-40mm ,在反复地震作用下,桥墩又在偏向右侧的平衡位置附近发生了两次往复振动,随后向一个方向发生侧倾,最终倒塌。2　倒塌机理分析

由于桥墩纵向钢筋过早切断,导致离墩底310m

左右的桥墩截面抗弯能力下降,在该截面首先屈服,桥墩根部的塑性铰区在地震中发生了上移现象。从图4可以看出,在t =7172s 时,该截面左侧的弯曲水平裂缝已经充分发展,截面形成塑性铰;在t =7174s 时,该截面的弯曲水平裂缝迅速斜向发展,形成弯剪斜裂缝。并且在斜裂缝的剪压区混凝土被压屈,塑性铰区混凝土受到较大损伤;在t =10144s 时,由于反复振动,塑性铰已经充分发展;在t =10178s 时,桥墩进入倒塌前的最后临界状态;在t =10180s 时,由于塑性铰区混凝土的损伤积累,造成桥墩在该区段混凝土抗剪能力下降,桥墩在此瞬间发生脆性剪切破坏,进入倒塌状态。从墩顶的加速度时程曲线上,可以注意到这一点上突然发生了剧烈的跳动。这个点就是桥墩发生倒塌的突变点,在这一瞬间,桥墩在根部发生了剪切破坏。由于剪切破坏是脆性的,桥墩相当于在根部突然受到一个很大的反向冲击荷载。因此,桥墩的反应表现出很大的瞬间加速度,在位移时程曲线上也可以看到一个明显的转折点。当t =10184s 时,已经可以看到比较清晰的剪切破坏斜裂缝,斜裂缝大约成45°;在t =12138s 时,桥墩彻底倒塌落地

。

图5　

墩顶位移时程曲线示意

图6　墩顶加速度时程曲线示意

3　结语

通过对独柱式桥墩在横向强震下的倒塌模拟分

析,得出其破坏倒塌特点:独柱式桥墩的倒塌是一个

损伤逐步积累的量变过程,表现为其根部塑性铰区的发展,当这种量变积累到一定程度时,将发生飞跃性的质变———倒塌。这种倒塌的形式表现为塑性铰区的混凝土由于损伤积累,抗剪能力下降而造成突然剪切破坏,由于剪切破坏是脆性的,桥墩相当于在根部突然受到一个很大的反向冲击荷载,因此倒塌瞬间桥墩的反应表现出很大的加速度。

参

考

文

献

[1]K imiro M eguro and M otohiko Hakuno.Application of the extended distinct

element method for collapse simulation of a double -deck bridge.structural Engineering ΠEarthquake Engineering ,Proc.JSCE ,V01.10.N o.4,1994

[2]K azuhiko K AW ASHIM A and Shigeki UN JOH.Im pact of Hanshin ΠAwaji

Earthquake on Seismic Design and Seismic S trengthening of H ighway Bridg 2

es.土木学会论文集(日本),N o.5561997[3]范立础1桥梁抗震1上海:同济大学出版社,1997

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11—　2000年第6期秦东等:独柱式桥墩在横向地震下的倒塌机理分析