详情

原文传递震后桥墩抗落石冲击性能和防护措施研究

论文题名：	震后桥墩抗落石冲击性能和防护措施研究
关键词：	桥墩结构;地震灾害;落石冲击;损伤状态评估;抗震性能
摘要：	近年来，全球范围内地震频发，导致滑坡、泥石流、落石等次生灾害不断增多。尤其在我国西部地区，随着基础设施的大力修建，桥梁遭遇地震及次生灾害作用的概率大幅增加。其中，地震和落石联合作用会对桥梁造成严重的损伤，甚至引发桥梁倒塌，严重影响桥梁的结构安全和正常使用。因此，对震后落石冲击桥墩的研究变得越发重要。　　当前，在不同抗震设防目标桥墩的抗次生灾害（落石）能力、桥墩抗震性能与抗落石冲击能力的关系、“地震+落石”双重灾害作用下桥墩损伤评估和防护措施等方面，缺乏相关研究。本文建立不同抗震能力桥墩的数值模型，分析了落石冲击下结构的动力响应和损伤状况，得到了抗震与抗落石冲击能力之间的关系。进而，采用地震时程分析法和落石冲击模拟，研究了“地震+落石”联合作用下桥墩的破坏状态。最后，基于结构的灾后损伤状态，研究不同地震作用下CFRP（碳纤维复合材料）对桥墩抵抗“地震+落石”性能的提升效果。主要内容如下所示：　　（1）采用有限元法建立了摆锤冲击桥墩的数值模型，对所选材料参数、本构关系及网格尺寸进行详细说明。通过将有限元计算得到的冲击力、位移与文献中的试验结果进行对比，验证了数值模型的可靠性。　　（2）模拟了落石对桥墩的冲击过程，研究了落石直径、冲击速度等对冲击力、冲击能量、桥墩位移等方面的影响。结果表明：随着落石直径和速度的增加，冲击力峰值近似呈线性增加的趋势，且二者对桥墩动力响应和应力分布有着显著影响。　　（3）针对不同抗震设防目标的桥墩，计算了落石冲击后结构的剩余承载力。桥墩的抗震设防烈度从6度提升到9度，在直径为0.8m的落石冲击作用下，结构剩余承载力最大提高到6.5倍。研究发现：桥墩抗震能力越小，桥墩的撞后剩余承载力越小，结构损伤越严重。提高桥梁抗震设防目标，能够有效地增强桥墩抗落石冲击能力。　　（4）基于撞后的损伤指标，分析了桥墩的损伤状况，并绘制了考虑不同抗震设防目标的桥墩抗落石冲击阈值曲线。由曲线图可见：随着抗震能力的增强，桥墩发生完全破坏和严重损伤的可能性逐渐减小，破坏状态改善为基本完好或轻微损伤。计算了使桥墩发生倒塌的落石冲击动能，可得：针对6、7、8和9度抗震设防的结构，冲击临界动能分别为467.74kJ、513.87kJ、609.03kJ和1052.41kJ。随着抗震能力增强，使桥墩发生倒塌的临界动能不断增大。　　（5）建立了“地震+落石”联合作用于桥墩的有限元模型，先采用时程分析法得到了ElCentro地震作用后的桥墩损伤模型，在此基础上继续施加落石冲击作用，得到结构动力响应。通过将落石作用和“地震+落石”作用后桥墩的损伤状况进行对比，发现6度设防的桥墩，在落石或地震单一作用下未发生倒塌，而在联合作用下结构失去承载力并发生倒塌。对于7、8和9度设防的桥墩，联合作用会使桥墩损伤状态更严重。针对地震及落石次生灾害作用，桥墩有严重破坏甚至倒塌的风险，应采取相应防护措施。　　（6）探讨了不同地震波和落石联合作用下CFRP对不同抗震设防桥墩的加固效果。计算结果表明：在“ElCentro波+落石”作用下，采用CFRP包裹的6度设防桥墩，其剩余承载力可以提高到6.7倍。而在“San-Fernando波+落石”作用后会发生倒塌的6度设防桥墩，加固后不再发生倒塌。该加固方式，对改善结构抗震及次生落石冲击能力有很大作用。
作者：	姚凯
专业：	土木工程
导师：	夏超逸
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023