小半径曲线梁桥地震倒塌模式与控制对策研究

在城市互通立交、（山区）高等级公路等桥梁设计中，受场地、环境条件制约以及从减少占地的经济因素考虑，目前小半径曲线梁桥（通常R<100m）已较多出现，但是其大震下抗倒塌问题尚缺少足够的科学研究及抗震规范指导。汶川大地震百花大桥（R=66m）和回澜立交匝道桥（R=20m）震害即为证明，这是非常危险的。本项目以回澜立交匝道桥震害为例，利用非线性子结构拟动力试验，将其严重弯剪破坏桥墩（原型）以试验手段拟动力加载，桥梁其余部分采用数值方法分析，实现全桥地震破坏全过程的整体性模拟。进一步拓展及结合数值模拟技术，深刻揭示小半径曲线梁桥地震倒塌机理并提出合理的抗倒塌设计对策。项目力图在小半径曲线梁桥整体地震反应及倒塌模式、钢筋混凝土桥墩弯剪（扭）复杂受力状态下的破坏特征及相应数值分析模型、曲线梁桥基于位移的抗震设计方法、以及防止大震倒塌的整体位移控制措施（拉索限位器＋拟橡胶金属阻尼器）等方面有所突破。

小半径曲线梁桥（通常R<100m）在城市互通立交、（山区）高等级公路中已较多出现，其地震易于损伤及倒塌。本项目力图结合汶川地震回澜立交桥震害，深刻揭示小半径曲线梁桥地震倒塌机理并提出合理的抗震设计对策。. 1）完成了回澜立交匝道桥震害机理的数值模拟，清晰地解释了其震害：地震时设有支座的最矮的1号桥墩支座发生滑移，以致刚度较大（次矮）的2号刚构桥墩承受很大的地震惯性力，发生弯曲屈服，此后随延性发展因抗剪能力不足最终发生剪切破坏，呈现典型的弯剪破坏特征。. 2）为发展子结构拟动力试验技术，初步提出了了力-位移混合控制的解耦算法，完成了6自由度加载系统的小型钢构件试验，初步验证了控制算法的可行性。. 3）提出了基于计算弯曲变形和计算剪切变形比ξ为参数的桥墩弯剪破坏判别准则；提出了适用弯剪破坏桥墩的塑性铰区变形（转角）和墩顶变形（位移角）计算公式。借助Zeus和OpenSee等软件实现了弯剪耦合下桥墩的滞回性能模拟。. 4）研究了弯曲破坏型桥墩地震纵筋滑移变形和残余位移问题。对剪跨比小于4或轴压比小于0.16或纵筋配筋率大于1.5% 的桥墩抗震分析时宜考虑纵筋滑移影响。近断层地震动是桥墩地震残余位移重要影响因素，而结构剪跨比越大，残留位移也越大，这点与P-delta效应相关。. 5）在防止桥梁地震倒塌或地震损伤控制方面，提出了新型塑性铰区域外包分段钢纤维混凝土（Steel Fiber Concrete-SFC）预制壳壁的RC墩柱，开发了防碰撞效率高且有自复位功能的SMA金属橡胶阻尼器，分别进行了拟静力试验或小型振动台试验验证；提出了保险丝理念的设置BRB（防屈曲支撑）双柱墩新型结构，并从能力-需求角度建构了基于位移的抗震设计方法，在地震需求计算方面则提出了附加保险丝主结构单自由度系统的弹塑性反应谱方程。