022钢筋混凝土斜拉桥----台湾集鹿大桥的震害机理分析

钢筋混凝土斜拉桥----台湾集鹿大桥的震害机理分析

闫兴非

(上海市城市建设设计研究院，中国上海 200011)

摘要：本研究对在台湾集集地震中破坏的一座即将完工的钢筋混凝土斜拉桥——集鹿大桥进行了弹塑性地震时程响应分析，除与实际破坏结果取得吻合外，还得到了众多方面的计算结果与曲线。据此本研究进一步进行了对做过抗震设计的大跨径斜拉桥的地震破坏机理分析。并给出了一些抗震方面的意见。

关键词：弹塑性地震时程响应分析; 地震破坏机理分析; 斜拉桥抗震

The seismic damage mechanics analysis of reinforce concrete cable-stayed bridge------Jilu bridge in Taiwan

YAN Xing-fei

（Shanghai Urban Construction Design & Research Institute，Shanghai 200011, China）

Abstract:A reinforce concrete cable-stay bridge--Jilu bridge which will complete soon destroyed during Jiji earthquake in Taiwan is analyzed with the elastic-plasticity seismic time history analysis method in this paper. The calculational results correspond with actual. In the same time, a lot of datum and graphs have also been received. According to these, the seismic damage mechanics analysis of long span cable-stayed bridge is also analyzed in the paper. At last, some advices about the seismic resistance of cable-stayed bridge are given out.

Key words:elastic-plasticity seismic time history analysis;seismic damage mechanics analysis;the seismic resistance of cable-stayed bridge

1引言

台湾是世界上的强震地区之一，1999年9月21日，发生了震源位于南投市集集县的7.3级强烈地震。震中附近一座即将完工的钢筋混凝土斜拉桥——集鹿大桥遭到了严重的破坏。在近年的地震灾害中，斜拉桥的主体结构遭到严重地震破坏的例子还比较罕见。本研究在所收集到的有限的设计资料和震害资料的基础上，通过非线性地震时程反应分析的手法，对已考虑了抗震设计的集鹿大桥仍旧出现震害的机理进行了

分析。

目前国内已建成或正在建设的中、大跨径的钢筋混凝土桥梁很多，希望本研究的内容能对类似结构形式斜拉桥的抗震设计和加固提供有益的参考。

2集鹿大桥的震害及有限元计算模型的建模

图1 实桥情况1 图2 实桥情况2

图3 实桥情况3 图4 实桥情况4

集集地震发生时，大桥尚未完工，主塔侧方主梁处供施工电梯上下的缺口还未闭合，留下了一个薄弱环节（图3）。受强烈地震作用，主塔根部横桥向发生弯曲破坏，混凝土保护层剥落，钢筋屈服露出。斜拉索也有较大损坏，，多根索从梁中拔出，其

中有一根索在索和梁的连接处彻底拉断(图4)。主梁下部与主墩连接处出现了很宽的裂缝。另外，梁端部与边墩相连的抗震销栓被剪断。

本研究建立的3维有限元模型如图5所示，节点的划分原则是：（1）平行的两根索合成一根，作为一个单元，其每个单元的两端（分别在梁上和主塔上）各为一个节

部分未拼装完成，故该处截面形式与其他主梁单元的截面形式不同。主梁、主墩、主塔的截面积和抗弯惯矩根据已知的各单元截面形状求出。根据设计资料，混凝土的弹性模量E ＝2.591E ＋7 Kpa 。该桥的各根斜拉索是由72~102根不等的直径为15.2mm 的钢铰线组成，钢的弹性模量E ＝2.1E ＋8 Kpa 。

图6 本研究计算用南投县地震波

本研究中，对桥梁遭受横向和纵向地震波作用时的响应分别作了计算。所采用的地震波为集集地震发生时集鹿大桥附近的南投县的记录波，最大地震加速度为611gal 。由于记录点与集鹿大桥相距较远，所以本研究在使用时，地震波峰值作了适当的调整。

本研究中进行弹塑性分析时，对钢筋混凝土主梁、塔、墩采用了双线性弹塑

性模型，即当弯矩超过屈服弯矩时，将该单元抗弯刚度折减为原刚度的1％。

3计算结果及震害机理分析

3.1固有振动结果

为验证本研究根据资料所建模型的妥当性，对该模型进行了固有振动分析，其结果与文献〔3〕给出的当初设计时的固有周期和振型进行了比较。

如图7所示，振型的计算结果与文献〔3〕十分一致。一阶振型为面外的正对称，二阶振型为面内的反对称，三阶振型为面内的正对称。

（a ） （b ） （c ）

图7 本研究模型的计算振型

固有周期的比较如表1所示：

表1 本研究模型计算周期

可以看出前三阶频率吻合得相当好，说明本研究模型的结构参数是合理的。

3.2地震响应结果

弯 矩值(K N ·m )

x

(m)

主 塔 高 度 (m )

弯 矩 值 (KN·m)

图8 顺桥向输入下主梁弯矩值 图9 横桥向输入下主塔弯矩值

根据计算，主梁在顺桥向地震作用下内力值较横桥向的计算值为大，而主塔的情况刚好相反，这与实际主梁和主塔的破坏方向也是吻合的，主梁顺桥向具体的弯矩计算值和主塔横桥向具体的弯矩计算值分别如图8和9所示，在图中同时给出了主梁顺桥向和主塔横桥向的屈服弯矩值，而计算弯矩分别是在线弹性条件下和弹塑性条件下在假定地震加速度峰值为458.25gal 时，求得的梁上和塔上的弯矩。

由图中可以看出，按照线弹性反应计算的弯矩结果，主梁上许多单元和主塔上全部单元的内力均已超过了相应的屈服弯矩，于是这些地方应该遭到破坏，但这与实际破坏情况并不相符；而从图中亦可看到在考虑了弹塑性后的计算结果与实际情况十分相符。这说明在对斜拉桥进行地震破损性响应分析时，弹塑性的考虑是必要的，也才是与实际受力状态相符的。因为在实际中，主梁、主塔上首先遭到破坏的单元必然要体现出相应的塑性性质，即当这些单元进入塑性后，变形将继续增大，但弯矩值已经不再增加，使得整个桥梁的内力发生了重分布。这使得尚未遭到破坏的主梁和主塔单元上的弯矩值降了下来。于是不会发生据弹性计算所得出的那么大范围的破坏。而这些在弹塑性分析中首先破坏的单元就是需要予以关注的该桥梁在地震下的薄弱环节。

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

节点 位 移(m )

时间(s)20

30

40

50

60

70

80

90

100

-8

-6

-4-20246

8加速 度(m /s )

时间(s )

图10 主塔顶端横桥向位移时程 图11 主塔顶端横桥向加速度时程

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-80000

-60000-40000-200000

20000

4000060000

80000弯 矩值(K N ·M )

时间(s )

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-4

-3-2-101234

5加速 度(m /s )

时间(s )

图12 塔梁固结点的主塔横桥向弯矩时程 图13 塔梁固结点的主塔横桥向加速度时程

图10～图13给出了斜拉桥时程反应分析中最为关心的一些量的时程曲线，其中图10是主塔顶端横桥向位移反应时程，图11是其加速度时程；图12是主塔与主梁

固结点的主塔横桥向弯矩时程，图13是其加速度时程。

图14是主塔根部梁的弯矩—转角滞回曲线，图15是主塔根部塔的弯矩—曲率滞回曲线。从中可以看出此设计主塔根部的梁和塔都具有较大的滞洄耗能能力。

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

-6000

-4000-200002000

4000

6000

弯 矩值(K N ·m )

转 角（弧度）-0.3

-0.2-0.10.00.10.2

-80000

-60000-40000-20000020000

40000

60000弯 矩值(K N ·m )

转 角（弧度）

图14 主塔根部梁弯矩—转角滞回曲线 图15 主塔根部塔的弯矩—曲率滞回曲线

4小结

本研究采用动态时程分析方法，对在台湾集集地震中遭到破坏的集鹿大桥进行动力反应分析，以期对斜拉桥的地震反应机理进行一些研究，并欲找到经过抗震设计的桥梁在地震中还是遭到了严重破坏的原因，既而提出一些合理的建议。

由本研究的计算可以得出，无论怎样调整地震波，按结构始终处于线弹性的计算假定计算得到的动力响应与地震发生时的真实响应都有很大区别，即都出现了与实际破坏不相符的情况，或者是梁上、墩上、塔上所有的单元都破坏了，或者是该破坏处未发生破坏，不该破坏处反而发生了破坏；而换成弹塑性后，破坏情况即可与实际情况相符的很好，即该桥的主塔根部、主塔根部附近的梁遭到了破坏，这就证明了在对该桥地震下的动力响应分析时不考虑弹塑性的结果是不正确的，甚至不可用的；同时也证明了本研究分析从头到尾的可行性与准确性；并说明了本研究程序计算弹塑性问题的可靠性与有效性。

从计算过程中亦可以得出结构破坏的原因。首先即使主梁和主塔都有较好的抗震耗能能力，但由于地震加速度较大，远远超过结构的设计加速度，这就要我们仔细确定好所建结构物地震烈度的设防标准；其次，主梁在地震发生时由于在21单元未完成，即使梁有了薄弱之处，而这一薄弱之处与该桥在此处破坏有很大关系。这提醒我们在其他类似工程中，要注意从头到尾严把质量关。再次，在同一地区、同等加速度下，有些桥梁就没有遭到破坏，这也说明了结构在设计上还是存在问题的。如果塔墩

梁不是固结的，而是整个结构直接作成漂浮体系，或作成主梁在塔柱位置无竖向支承，仅有侧向约束。锚墩一端为固定支座，另一端设置伸缩缝的形式。其在平时正常使用的车辆荷载作用下时为刚度较大的结构，而一旦发生地震时，如纵向地震加速度超过规定值，设在固定支座上的竖向钢杆就被剪断，使得整个主梁结构成为漂浮体系，而漂浮体系即可以增大结构的固有周期，减小地震反应，增强结构的延性，又可以减小塔墩梁相交处的弯矩，更好的达到抗震的效果。

最后，本研究对索的进一步计算有待进一步获取具体数据后进行。

参考文献

[1] 范立础、胡世德、叶爱君，《大跨度桥梁抗震设计》，人民交通出版社，2001年

[2] 李国豪，《桥梁结构稳定与振动》，中国铁道出版社，1997年

[3] 台湾林同炎工程顾问股份有限公司的设计资料

[4] 《台湾集集地震被害调查报告书》，2000年12月

[5] 日本大林组技术研究所，《1999年9月台湾集集地震被害调查报告书》，1999年

[6] 《THE 1999 JI-JI EARTHQUAKE ,TAIWAN》，1999年12月

[7] R.W.克拉夫 J.彭津，《结构动力学》，科学出版社，1985年

[8]CANNY用户手册