中承式钢管混凝土拱桥地震损伤评估

方旭，亓兴军

（1.山东建筑大学交通工程学院，山东省济南市250101，

2. 山东建筑大学交通工程学院，山东省济南市250101）

摘要：为研究中承式钢管混凝土拱桥整体及各构件在地震作用下的损伤状态，选取峰值加速度为0.1g到0.3g的天津三向地震动的作用下进行非线性时程分析。依据基于变形或内力和累计损伤耗能的双重破坏准则，计算拱桥各构件的损伤指数，确定其构件和整桥的损伤状态。结果表明：对于拱桥构件中支座和边跨桥墩墩柱的损伤程度最大，在0.3g的天津地震动作用下，拱桥大部分支座处于严重损伤状态，部分支座产生完全破坏，拱桥边跨桥墩基本处于中等破坏的损伤状态。在峰值加速度为0.1g天津地震动下，拱桥处于轻微损伤状态。在0.2g到0.3g的天津地震动作用下，拱桥整体处于中等破坏的损伤状态。

关键词：钢管混凝土拱桥；地震作用；损伤评估；损伤指数  

中图分类号：U442.5+5                 文献标识码：A

Seismic Damage Assessment of Half-through Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge

Fang Xu¹,Qi Xingjun*

(1.School of Traffic Engineering , Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, 1.School of Traffic Engineering , 2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250101)

Abstract: In order to study damage conditions of half-through concrete filled steel tubular arch bridge under earthquake action, the time-history analysis was performed under the action of peak acceleration of 0.1g to 0.3g in Tianjin ground motion. The evaluation model of bridge was established by the internal force, deformation and energy. The damage indexes of all the members were calculated and the damage conditions of its components were determined. The damage index were determined by weighting the coefficient of studies on seismic damage assessment. The results show that the arch bridge was slightly damaged at a peak acceleration of 0.1g in Tianjin. And the arch bridge is in a moderately damaged state under the Tianjin earthquake action with a peak acceleration of 0.2g to 0.3g.

Key words：concrete-filled steel tube arch bridge   seismic action   damage assessment   damage index

0 引言

拱桥作为传统桥梁的基本形式之一，在桥梁的发展史上起到举足轻重的作用。拱桥因其桥梁轴线为曲线，在自重荷载以及竖向的人群荷载和车辆荷载作用下，拱轴线上主要承担轴向的压力，弯矩和剪力较小，拱轴线的应力较均匀。拱桥因其受力合理，外形美观，跨越能力大，成为在桥梁设计中优先选择的桥梁形式。地震动由于其发生的随机性和不可预见性的自然灾害之一，一旦发生将对桥梁结构造成巨大的破坏^[]，1976年的唐山地震，2008年的汶川地震以及2010年的青海玉树地震都对桥梁道路等基础设施产生巨大的破坏，造成巨大的人员伤亡和不可估量的财产损失，也对灾后救援和重建工作带来巨大的困难^[]。

国内外许多学者对桥梁的地震损伤评估^[]进行研究，Park^[]等建立钢筋混凝土构件的地震损伤模型，对桥梁进行损伤评估。文永庆^[]基于Park-And双参数破坏准则对钢管混凝土组合柱进行研究，得出适用于组合柱的双参数破坏准则。张国伟^[]对钢管混凝土柱在地震作用下累计损伤性^[]能进行试验研究，建立基于循环耗能的低周疲劳模型^[]和钢管混凝土柱的基于耗能的改进线性累积损伤模型。谢开仲^[]根据基于变形或内力和能量的双重破坏准则^[]确定钢管混凝土拱桥各构件的损伤破坏指数，并建立整桥的破坏评估模型^[]，对拱桥进行

地震损伤评估。谢开仲、莫永辉^[]等根据基于模糊理论和层次分析法的地震损伤模糊评估方法对一大胯钢管混凝土拱桥进行地震损伤评估。

1 钢管混凝土拱桥各部分构件的损伤评估模型

根据基于变形或者内力和能量的双重破坏准则^[]，并参考谢开仲教授的研究成果，对拱桥上部结构各构件在地震动作用下进行损伤状态评估，以下对拱桥各部分构件损伤评估模型如表1.1所示。

表1.1  构件损伤破坏特性及损伤指数表达式

2 钢管混凝土拱桥的损伤指数与损伤状态及构件权重系数

对于钢管混凝土拱桥构件以及拱桥整体在地震动作用下的损伤状况和损伤指数的关系，参考谢开仲教授的文献特作出以下规定，具体表2.1和表2.2所示：

   表2.1 拱桥构件损伤状况和损伤指数的对应关系

表2. 2桥整桥损伤状况和损伤指数的对应关系

桥梁各构件权重系数的确定应根据构架的在桥梁结构中的重要性系数以及损伤后对整桥安全性和使用性的影响来确定。桥梁的整体设为1，各构件所占的权重比如表2.3所示：

表2.3 各构件权重系数

3算例分析

本文以280m的中承式钢管混凝土拱桥为例进行地震损伤评估，该桥梁拟建场地整个地区稳定性良好，未发现第四系全新活动断裂带，但场地底部含有中粗砂，在7度地震作用下属于轻微液化等级的液化土层，属于抗震不利地段。在弱风化泥灰岩中有小规模的溶洞发育，鉴于泥灰岩层面近与水平，泥质含量较高，岩溶发育较弱，因此设计从安全的角度出发，桥梁桩基础穿越岩溶发育地段进入稳定岩层。该场地地震基本烈度为六度，设计按七度设防。抗震设防类别为A类设防，抗震重要性系数为A类，场地系数取1.0，特征周期为0.15g。

为使对桥梁分析更为典型和普适性，本文选取两种不同特性的地震动对桥梁结构进行分析。选取一种低频地震动——天津地震动，反应谱主要周期为1s，沿拱桥的X、Y、Z的坐标输入地震动的E-W向、N-S向、V向三向地震动，两种地震动在E-W向地震加速度峰值分别选取100gal，200gal，300gal，N-S向和V向峰值加速度按1:0.85:0.65的比例进行调整。

3.1钢管混凝土构件的地震损伤评估

3.1.1拱肋的地震损伤评估

本文模型拱肋采用钢管混凝土组合材料，钢管采用直径为1m钢管，壁厚16mm，内部填充C50混凝土。钢管拱肋在模型中的不同地震动作用下对应的损伤指数如表3.1.1所示：

表3.1.1 拱桥拱肋的损伤指数及损伤状态

由上表可知，拱肋的损伤指数随着加速度峰值的增大而逐渐增大，最大的损伤指数，但损伤指数都小于0.1，所以拱肋在不同地震动作用下处于基本完好状态。

3.1.2拱肋腹杆的地震损伤评估

本文模型采用直径为670mm，壁厚为16mm的空心圆钢管，拱肋腹杆在不同地震动下损伤指数如 表3.1.2所示：

表3.1.2 拱桥拱肋腹杆的损伤指数及损伤状态

经计算可得拱肋腹杆在不同地震动下损伤指数基本都在0.5左右，都小于0.1，拱肋腹杆都处于基本完好状态，但随着地震动加速度的增大损伤指数逐渐增大，最大损伤指数。

3.1.3拱肋横向联系的地震损伤评估

本文主风撑采用直径为670mm，壁厚为16mm的空心圆钢管，拱肋横向联系在不同地震动下损伤指数如表3.1.3所示：

表3.1.3 拱桥横向联系的损伤指数及损伤状态

通过计算可得，拱肋横撑在天津不同峰值加速度的作用下损伤状态基本处于完好状态，只有在峰值加速度为0.3g时，损伤指数为0.114大于0.1，根据损伤判断准则，处于轻微破坏状态。

3.1.4吊杆地震损伤评估