少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制2.doc

少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制研究 立项依据与研究内容 项目的立项依据 1.1研究意义 近十几年来，我国铁路工程的迅速发展带动了铁路桥梁建设技术的飞跃。目前已建成了一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、科技含量高的桥梁结构。以南京大胜关长江大桥、武汉天兴洲长江大桥、沪通长江大桥、郑州黄河大桥等为代表的铁路桥梁正向着大跨度、高速度的技术方向迈进，多座更大跨度的铁路桥梁，如济南黄河铁路大桥、安庆长江铁路大桥、鄱阳湖铁路大桥和澜沧江铁路大桥等也正在设计建设中。铁路桥梁建设的快速发展，在推动学科技术进步的同时，也向研究人员和工程人员提出了更高的技术要求和挑战。 桥梁结构是铁路交通中的重要基础设施和生命线工程，在地震中直接关系到人民生命财产的安全和震后救援。我国是世界上地震多发国家之一，自上世纪以来共发生破坏性地震2600余次，其中6级以上破坏性地震600余次，平均每年5.4次。这些地震极大威胁了铁路桥梁结构的安全。从唐山、海城两次大地震的统计资料来看，铁路桥梁在8度区和9度区的震害率分别达到20％和76.47％。2008年汶川地震同样给铁路桥梁结构带来了严重破坏。宝成铁路上的金龟岩大桥在地震中桥梁墩台出现裂缝，上部结构产生横向位移，致使宝成铁路下行线行车中断；广岳铁路上的穿心店大桥、石岗坪大桥、柿子坪大桥、燕子岩大桥、工读中桥等多座桥梁均发生了不同程度的震害，造成全线中断，严重迟滞了救援进程，直至6月20日才恢复通车。桥梁结构在地震中的破坏，导致铁路交通功能的丧失，大大增加了人员伤亡的数量，并引发了巨大的经济损失。为此，《国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）》中明确将桥梁结构的抗震安全列为公共安全领域的优先主题。加强铁路桥梁结构的灾变行为分析与防御措施的研究具有极其重要的意义。 桥墩是桥梁的下部支承结构物，其作用是承受上部板跨支座传来的各种作用力，并将其传递到地基。在地震过程中，桥墩承受水平地震作用，是桥梁结构的重要抗侧力构件，其抗震能力的好坏，直接关系到全桥的抗震性能。目前，我国公路桥梁桥墩多为钢筋混凝土结构，一般采用基于延性的抗震设计理论进行设计；而铁路和高速铁路桥墩大多为混凝土结构，这些桥墩具有平面尺寸大、刚度大、自重大、地震作用大的特点，且桥墩一般只配有少量的护面钢筋，其截面配筋率通常在1％以下，属于典型的少筋混凝土结构。按照现代的抗震设计理论，这种不具备足够延性能力的混凝土桥墩变形能力差，在地震过程中易于遭受破坏，并呈现出明显的脆性破坏特征。但是，由于铁路特别是高速铁路要求在地震作用下桥墩不能产生过大的变形，以防列车脱轨或者震后抢修困难，这就需要铁路桥墩具有较大的刚度以限制地震位移。正因为此，少筋混凝土桥墩在铁路桥梁工程中必然出现。图1为汶川地震中穿心店大桥和红白场中桥的桥墩震害图。由 穿心店大桥2号墩 红白场中桥1号墩 图1 汶川地震中的铁路桥墩震害 图1可见，少筋混凝土桥墩在强烈地震作用下，可能发生混凝土表面剥落、墩底的弯剪破坏等多种形式，而桥梁抗震设计中截面纯弯曲破坏则较为少见。结构的每一种破坏模式都是不同地震破坏机制的表象，破坏模式不同，破坏过程和结构安全度也都是不同的。以往的设计常常是基于假定的破坏模式进行，如果假定的破坏模式在地震中与桥墩实际的破坏形式不相符合，这就使得所采取的工程措施不能有效地抵抗地震作用，最终造成结构失效。只有掌握少筋混凝土桥墩在地震作用下的损伤机理和灾变演化过程，深刻认识其破坏机制，才能据此提出行之有效的设计方法和抗震措施。 少筋混凝土桥墩由于截面配筋率低，在地震作用下一般呈现出脆性破坏的特征，这一点与现行的基于延性的抗震设计理念不相符合。基于延性的抗震设计要求桥梁结构在地震作用下的塑性铰出现在墩柱上，桥墩作为延性构件设计，可以发生弹塑性变形，并要求其具有一定的耗能能力。而我国铁路桥墩为满足结构刚度的要求，多是按照弹性工作状态下设计的，如何最大限度地避免其发生脆性破坏，从结构的损伤机理上改变其破坏机制和模式，也是一个值得深入思考的问题。 为此，本课题拟就少筋混凝土铁路桥墩的地震破坏机制展开深入探讨，综合运用数值分析和结构试验等技术手段，研究少筋混凝土铁路桥墩在地震作用下的破坏过程、破坏模式，并给出其抗震设计指标和技术参数。本课题的研究将为提高我国铁路桥梁结构的抗震能力，安全建设和运营提供科学支撑和技术保障，具有重要的社会价值和科学意义。 2国内外研究现状及发展动态分析 目前，少筋混凝土铁路桥墩的抗震研究还较为少见，主要有：阎贵平等（1996）通过往复加载实验，研究了少筋混凝土桥墩的荷载－位移关系，延性比和累积耗能等抗震性能，讨论了剪跨比和配箍率对破坏模式和延性动力参数的影响。李建中等（2006）针对铁路桥梁单