大跨度桥梁连续倒塌分析与设计综述.docx
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1、连续倒塌是指结构局部或部分构件发生失效而引起相邻单元呈现不成 比例的倒塌,是一种结构极端破坏形式,其发生对结构物本身及人身、经济、 安全都会产生巨大影响。作为重要生命线工程之一,桥梁工程发生倒塌引起 的后果较一般结构更为严重。通过1905年至今的105起桥梁倒塌案例的统 计分析,可了解到引发桥梁倒塌的主要原因(按发生频率排序)有人为因素 (施工设计及运营不当)、船撞、洪水、过载、车辆撞击、疲劳和风等作用。 需要指出的是,上述案例多为早期小跨度桥梁或为大跨度桥梁非主体部分 的事故,涉及大跨度桥梁的相关事故案例相对较少,但这并不意味着大跨度 桥梁不存在此类问题。相反,由于具有跨径大、设计使用寿命周
2、期更长、服 役环境更复杂多变及灾变后果的严重性,大跨度桥梁的连续倒塌问题更应 得到重视。大跨度桥梁多为低次超静定结构,具有更为显著的单点易损性,其发生 连续倒塌的风险比普通桥梁更大。为进一步掌握目前大跨度桥梁连续倒塌 分析与设计领域的研究进展,本文从各类灾害的概率描述、灾变分析及抗连 续倒塌设计理论与方法依次展开论述,结合灾变损伤演化规律及桥梁整体 性能设计的理念进行综合评述,并提出进一步研究的思路和展望。1、灾害作用与灾变损伤机理1.1地震地震对桥梁结构的损伤主要源于地面震动和砂土液化。地面震动会造成 结构本身发生动力响应,引发内力、疲劳及稳定性问题,砂土液化主要造成 地基沉降发生变形引起次
3、应力,从而造成主梁、桥塔等部分损坏。而在大跨 度桥梁中,地震动序列的影响、行波效应与多点激振、土体-结构相互作用 满足拉结力要求的基础上进行备用传递路径的校核,即验证构件发生损坏 后的抗连续倒塌性能,具体实施为针对特定单元进行单元移除,验证单元移 除后的结构破损限度是否超过保持其整体性和完整性的最低限度。对移除 单元的选择,除借助有限元等分析方法确定典型易损单元外,还需考虑控制 单元,如斜拉桥的拉索和悬索桥的悬索等。考虑到移除单元后的损伤演化分 析过程较复杂,对移除单元的选择需要尽可能简化。对失效构件移除后的荷 载关系问题也需重点考虑,可将原荷载放大作用于相邻单元或缩小相邻单 元的单元截面面积
4、,以体现内力重分布的动力放大效应。5、未来研究重点目前,对大跨度桥梁连续倒塌问题的研究还存在很多不足,在未来的研 究中可将以下三个方面作为研究重点。5.1 灾害作用与灾变机理深化研究针对引发大跨度桥梁连续倒塌的灾害,其研究需进一步深化,包括对灾 害概率、强度的分析,大跨度桥梁灾害作用下的损伤机理,易损性参数的分 析方法、灾害耦合作用的研究及相关参数的确定等;对一些特定灾害,需考 虑其部分特性在大跨度桥梁问题下的影响变化,例如船撞的动力作用、地震 作用的行波效应和多点激振等,对普通桥梁或建筑结构的影响作用虽不明 显,但对大跨度桥梁可能产生较大影响,相关问题还需进行深入研究。5.2 大跨度桥梁结构
5、倒塌分析方法发展高效准确的分析方法是研究大跨度桥梁连续倒塌问题的重要前提,目前 各类连续倒塌分析方法多基于建筑结构,未充分考虑大跨度桥梁结构的特 性,在效率和合理性上尚存在不足,对各类灾害的描述也存在问题,需在今 后的研究中加以改进。5.3 抗连续倒塌设计方法确立本文提到的设计方法仅是基于建筑结构的抗连续倒塌设计方法,且在具 体问题的处理上尚不成熟。对实际规范中抗连续倒塌设计方法的制定,还需 考虑大跨度桥梁的特性和灾害的性质,以便制定完善有效的设计方法,其中 包括对具体设计方法验证标准的确定、大跨度桥梁结构失效概率计算方法 的研究等,也可从其他角度提出新的更合理的设计方法,以实现规范的制定 和
6、对实际工程的指导作用。及地震引起的锚碇松动或失效等问题更加突出。对柔性的悬索桥,悬吊体系 动力响应通常较小,其地震损伤主要集中在桥塔上,桥塔纵向位移最大点和 桥塔底部为潜在的塑性皎区域,当塔底截面率先进入塑性阶段后,塔底截面 刚度迅速降低,地震力向塔身转移并形成塑性较,最终呈现机构特征,新的 塑性较不再产生。对于斜拉桥,地震惯性力主要集中在桥面系,通过斜拉索 和支座传递给桥塔、边墩,再传递给基础,最后传递给地基。对于不同形式 的塔、索、梁连接方式,对应的结构地震力传递方式有所不同。与普通跨径 桥梁的三水准抗震设防要求不同,在大跨度桥梁抗震设防标准方面,国内外 相关规范均建议采用两水准抗震设防水
7、准。美国ATC-18建议在遭遇较低水 平(使用寿命内超越概率30%50%)地震时,大跨度桥梁允许发生最小程 度破坏;遭遇较高水准(100250年基准期超越概率10%,重现期为 9502 475年)地震时,大跨度桥梁仅允许发生可修的破坏。我国CJJ166 2011城市桥梁抗震设计规范将大跨度桥梁设为甲类设防等级,提出了两 个水平抗震设防目标E1 (重现期475年,设计基准期100年情况下超越概 率18%)和E2 (重现期2 500年,设计基准期1 000年情况下超越概率 4%),具体设防地震作用需通过安全性评估确定。在E1地震作用下要求结 构反应在弹性范围内,E2地震作用下结构局部可发生轻微损伤
8、。与普通桥 梁不同的是大跨度桥梁需考虑竖向地震作用,并对三向地震动进行耦合。5.4 船桥碰撞当陆上交通线与水上交通线交叉时,由于人为或自然条件的原因,跨越 水域的桥梁墩台甚至桥面系有可能面临来自通航船舶的撞击风险,尤其近 年来跨海、跨江大桥的大量兴建,船撞问题已成为影响大跨度桥梁安全的重 要因素之一。因此,各国规范都针对这一重要防护因素制定了相关规范。我 国规范中将船撞问题视为静力荷载偶然作用,仅对设计碰撞力做出了规定, 而未涉及碰撞概率问题。同时,现行各国规范大多将其视为静力作用,对大 跨度桥梁和高承台桥梁问题的预测会出现较大误差。5.5 撞击、火、爆炸大跨度桥梁为重要基础设施,对国民经济、
9、军事等方面均具有重大意义, 有可能成为军事攻击和恐怖袭击的主要潜在目标,具体手段包括导弹袭击、 炸药爆炸、飞行物撞击等,此类作用具有作用点任意性极强、荷载水平高、 作用时间短、损伤范围不可控等特点,一旦出现往往会对结构造成极大威胁。 撞击体本身的巨大动能首先会对结构产生强烈冲击而出现局部损伤;其次 撞击体在撞击后由于燃油燃烧、爆炸物爆炸产生的热量会使损伤结构的力 学性能进一步退化,可能诱发桥梁整体结构连续倒塌。研究表明,对作用于 不同位置、不同程度的爆炸、撞击对桥梁的影响机理有较大差别,Son和 Astaneh-Asl针对发生在斜拉桥和悬索桥的正交相异性桥面上的爆炸问题进 行研究,指出爆炸发生
10、后结构位移及P-A效应是影响结构全局行为的主要 参数。因此,当大跨度桥梁结构面对撞击、爆炸、火等因素威胁时,由于其 跨越特性和突出的单点易损性,仅通过提高抗震能力来提高此类作用下抗 连续倒塌能力的效果有限。2、桥梁连续倒塌分析连续倒塌仿真分析方法主要包括修正有限单元法、散体单元法、显式动 力有限元模拟法等。修正有限单元法通过特殊单元,如界面单元、节理单元 和奇异等参元、混合钱等单元来考虑不连续位移场结构单元、接触碰撞分析 等问题,是对传统有限元的一种补充。基于离散块体集合的散体单元法可考 虑单元的接触与分离,从最初用于岩体断裂问题逐步被应用于结构的倒塌 分析中。通过求解显式动力方程来获取结构大
11、变形、大转动响应的显式有限 元方法得到了越来越多的发展。由于大跨度桥梁结构的质量、刚度等与建筑 结构有较大不同,因此其连续倒塌分析有自己的特点。Zoli和Steinhouse指出,相对于中、小跨径桥梁,大跨度桥梁的低冗余 性使其单点易损性更加凸出。由于大跨度桥梁结构荷载的复杂性、耦合性及 偶然因素的不确定性,在桥梁连续倒塌分析中,该特性可用于特定单元构件 损伤条件下的连续倒塌问题。在大跨度桥梁连续倒塌分析中,动力效应和材 料非线性问题需重点考虑。对破坏准则的选择,考虑到大跨度桥梁构件破坏 需经历塑性阶段,变形准则和变形/能量双重准则比强度准则更适用。对地 震、风等导致结构发生振动产生往复荷载的
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