考虑材料劣变与损伤累积的既有混凝土斜拉桥抗震性能分析

Nowadays, structural capacities of many cable-stayed bridges in China degrade due to material deterioration and other reasons. It increases the possibility of fracture or even collapse of these bridges under action of earthquake, especially a sequence of main-shock and after-shock excitations, which always lead to an accumulation of damage in structure. However, our current literatures and design codes have not supplied a reliable method to carry out seismic analysis and assessment of the bridge considering the damage accumulation and the material deterioration. Earlier researches on seismic analysis for cable-stayed bridges mainly focus on the mianshock. The study about dynamic response, structural damage and plastic hinge mechanism under the action of aftershock is not enough. The structural failure mode and failure mechanism are unclear. Therefore, this project focuses on developing a seismic analysis method and discusses the structural response under the mainshock-aftershock sequence wave for cable-stayed bridge systems considering structural material deterioration and damage accumulation. The works mainly include: 1) The influence of material deterioration on seismic performance of cable-stayed bridge. 2) The structural seismic performance under the action of aftershock considering damage accumulation. 3) The plastic hinge mechanism under the action of aftershock and the correlation of mainshock and aftershock. These achievements will provide theoretical basis and analysis support for the life-cycle design, the seismic strengthening, especially the seismic hazard assessment of the existing bridges.

目前我国多数混凝土斜拉桥因材料劣变而存在结构抗力退化等问题，且主震-余震序列波会使结构损伤积累而更容易破坏。对于材料劣变与损伤积累的桥梁，目前的研究成果和规范尚不能给出合理的地震分析与安全评估方法。而对斜拉桥抗震研究仅局限在主震层面，而在余震作用下的动力响应特点、结构损伤、破坏全过程以及塑性铰产生机制存在研究不足，有关结构的破坏模式与破坏机理尚不明确。为此，本课题针对混凝土斜拉桥，通过在结构的能力与需求模型中体现材料劣变与损伤积累的影响，寿命期内考虑材料劣变与损伤积累分析结构的抗震性能，探讨结构在主震-余震序列波下的响应特点。主要内容包括：（1）材料劣变对结构抗震性能的影响；（2）余震作用下损伤积累的结构抗震性能分析；（3）余震作用下塑性铰产生机制与主震及余震地震动特性的相关性。研究成果可为斜拉桥的全寿命设计、抗震加固以及地震风险评估等提供理论依据。

地震中，带有损伤的桥梁结构，在经过了一个峰值脉冲作用之后，将导致局部损伤或者结构破坏，而在后来的许多小脉冲作用下，结构损伤会逐渐加剧，导致结构刚度降低，边界条件发生变化，承载能力减小，即产生累积损伤破坏，因此，很有必要重视构件损伤后结构的抗震性能。.本课题以既有混凝土斜拉桥为研究对象，结合材料劣变模型研究寿命期内材料劣变对桥梁结构动力响应的影响。主要研究内容.（一）研究氯离子侵蚀对钢筋混凝土结构影响的材料劣化理论，采用蒙特卡洛法计算出该工程中钢筋初始锈蚀时间并进一步得出钢筋截面积与屈服强度的时变效应。考虑全寿命服役期内氯离子对主筋与箍筋屈服强度、有效截面积等因素的影响下，对主塔进行时变（初始服役、服役25年、服役50年、服役75年、服役100年）效应分析，通过主塔各截面的弯矩-轴力-曲率分析对结构损伤指标进行量化。建立悬索桥SAP2000有限元模型，利用合理调幅后的不同强度等级地震波对结构分别进行纵、横向增量动力分析，并绘制关键截面IDA曲线；通过对各服役年限下结构IDA数据的处理分析，得到斜拉桥主塔考虑材料劣化效应的关键截面时变地震易损性曲线；并分别得到纵、横向主塔损伤概率最大的部位，以及材料时变效应对结构易损性影响规律。.（二）研究橡胶支座耐久性以及橡胶支座材料劣化规律，考虑支座材料性能的退化，建立模型分析结构的抗震性能，以结构性态目标为基础，对斜拉桥主塔、过渡墩和辅助墩进行损伤标定。.研究表明，材料劣化对截面的抗震能力呈非线性影响，服役年限越久损伤概率增幅越大；而且材料时变效应对易损性较大的截面影响大于易损性较小的截面。研究成果可以为斜拉桥的全寿命设计、既有桥梁的运营与管理以及地震风险评估等提供理论依据和数据支持。