强震作用下曲线梁桥的破坏机理与减震控制研究

桥梁是抗震救灾中的交通生命线工程，汶川大地震中多座大型曲线梁桥遭受严重破坏，给救援工作带来了极大的困难，开展曲线梁桥的抗震减震研究具有重大意义。本项目拟对曲线梁桥的地震破坏机理和弯扭耦合地震反应减震控制展开详细的理论分析和试验研究，建立考虑地震破坏和振动控制的曲线梁桥计算模型，在基础处输入最不利多维地震动，计算曲线梁桥的极限破坏非线性地震反应，重点研究主梁不均匀碰撞破坏和桥墩塑性破坏的机理。从不同减震控制方法中提出能够有效地降低曲线梁桥弯扭耦合地震破坏效应的减震控制复合策略，并进行曲线梁桥减震控制模拟地震振动台试验以验证所提减震方案的实际效果。系统地研究曲线梁桥的曲线半径、支承连接方式、宽跨比、桥墩高度等桥梁结构参数和山谷局部场地、地震动速度脉冲、多维地震动输入等地震动参数对曲线梁桥非线性地震破坏效应和减震控制效果的影响规律，对曲线梁桥全桥整体抗震减震设计与加固提出具体的桥梁参数优化建议。

本项目采用非线性隐式显式动力有限单元法和结构振动控制方法，主要研究强震作用下曲线梁桥的地震破坏机理和有效的减震控制方法两个问题，其中地震破坏机理包括曲线梁桥地震碰撞破坏特点和主梁落梁破坏过程以及桥墩塑性区发展状态等，有效的减震控制方法包括半主动控制方法和多种被动控制方法以及减震控制方法的影响参数等。研究内容和研究目标均按计划正常完成，主要研究结果表明，地震碰撞作用使主梁端截面产生很大碰撞力，截面正应力分布严重不均匀，总体上曲线外侧应力大于曲线内侧应力，碰撞作用对曲线外侧抗震挡块的破坏程度远大于内侧挡块，碰撞对中间桥墩墩底内力影响很小。在伸缩缝处设置橡胶缓冲垫和在活动支座处设置粘滞阻尼器两种方法均能有效减缓地震碰撞效应。在曲线梁桥的落梁过程中挡块的约束和桥墩的支撑相互影响，强震下落梁破坏表现出主梁梁端与挡块碰撞、挡块大变形破坏、墩底内力增大破坏、梁体向外侧翻转下坠等特点。桥墩塑性区主要出现在墩底和墩顶截面，且首先出现在矩形截面对角线的角点上。液体粘滞阻尼器减震主动控制、半主动控制和被动控制均能有效地减小曲线梁桥的梁端位移和桥墩墩底内力，且三种减震控制方法的减震效果差别不大。粘滞阻尼器、E型钢阻尼器、摩擦摆式支座和铅芯橡胶支座等四种被动耗能减震方法均能有效减小曲线桥梁控制点的地震反应，但在不同频谱成分地震动作用下的减震效果相差较大，相对而言，粘滞阻尼器对地震动频谱成分敏感性较弱，其适用性和通用性相对最好。桩土相互作用会在一定程度上削弱粘滞阻尼器、E型钢阻尼器和摩擦摆式支座对于曲线梁桥位移和内力的减震效果。不同地震动作用下粘滞阻尼器对于曲线梁桥桥墩内力和主梁位移的减震效果均随曲率半径的减小而增大，E型钢阻尼器对于主梁位移的减震效果随曲率半径的减小而增大。在曲线梁桥的桥墩点铰支座位置添加E型钢阻尼器、在桥台抗扭支座位置添加粘滞阻尼器的组合方式是一种值得推荐应用的有效组合减震方法。粘滞阻尼器和弹性拉索的组合减震限位方法增强了粘滞阻尼器的限位能力，能够实现耗能与限位的多级控制。