强震区拱桥破坏机理、安全评价与抗震防护技术

论文摘要

本论文研究过程中,以现场考察、资料分析与理论研究为主体,以拱桥下部结构研究为重点,以四川汶川周边代表性拱桥为研究对象,坚持以破坏机理研究为基础、安全评价系统研究为手段、抗震防护新技术研究为目的的总体研究思路,遵循研究成果的实用性原则,融合理论分析与数值模拟等研究方法于一体,实现结构动力学、岩土力学、地貌学、工程防治学等多学科的交叉、融合与创新。历经3年时间（2008～2010）,取得了如下创新性成果:（1）通过等截面圆弧拱的平面挠曲基本方程,推导出拱桥纵向震动动力特征参数公式,得出拱桥纵向震动主要影响因素:拱弧长度、拱弧全开角、全桥重量、拱截面抗弯刚度、拱上建筑重量比例,并据此分析各因素对拱圈纵向震动影响程度大小。（2）由拱圈侧向弯扭固有振动方程引入横向地震力,得出拱桥横向地震振动方程,并建立相应简化力学模型,用能量法推导出拱桥横向震动动力特性参数公式。经过分析,矢跨比和拱上建筑重量比例两个参数是影响拱桥横向震动两大最主要因素。（3）基于Newmark滑移理论及Zeng和Steedman转动块理论模型,建立滑移模式、转动模式以及滑移与转动耦合位移模式下的台体震动位移计算模型,按M ?O公式计算出滑移临界加速度和转动临界加速度,并最终提出台体震动位移计算方法。（4）基于Prandtl破坏面理论和Coulomb楔体平衡条件,并考虑地震力和接触面剪切摩擦的影响,采用Mononobe-Okabe地震公式,得出地震作用下地基承载力计算公式,据此对地震下地基强度降低现象进行安全评定。（5）根据米塞斯流动法则,得到地震作用下桥台岸坡滑动面应变速度以及与滑动线夹角,据此得出作用于岸坡各外力做功和塑性流动消耗的能量,依据外力所做功与内部消耗能量相等的原则,最终推导出岸坡最大地震主动土压力及所对应滑动面倾角。（6）采用有限元MIDAS/Civil7.0分析了拱桥全桥、主拱圈、基础等失稳破坏机制,发现台顶两侧、拱圈拱顶至1/4拱圈及桥体表面转折点为应力集中和位移突变点。（7）在强震区拱桥安全评价指标构建原则的基础上,依据强震区拱桥的特点建立了强震区拱桥安全评价指标体系以及量化方法,采用不确定层次分析法,并与模糊综合评判法相耦合,建立了计算强震区拱桥安全体系评价系统。评价结果对强震区拱桥的前期防护和后期修复都有一定的参考价值和指导意义。（8）针对强震区拱桥整体及局部安全性态,主要从下部结构及地基基础等方面入手,研发了墩台液化地基膨胀桩挤压加固技术、桥台自平衡预应力对锚加固技术、桥台减载支撑加固技术,并建立了相应的计算方法、设计方法及施工方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究目的及意义
• 1.2 拱桥抗震分析研究现状
• 1.2.1 国内外拱桥抗震机理研究现状
• 1.2.2 拱桥震害安全评价研究现状
• 1.2.3 拱桥抗震防护研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 研究路线
• 第二章 强震区拱桥破坏机理研究
• 2.1 拱圈震动破坏机理
• 2.1.1 拱圈震动破坏形态
• 2.1.2 拱圈纵向地震振动分析
• 2.1.3 拱圈横向地震振动分析
• 2.1.4 算例分析
• 2.2 墩台基础震动破坏机制
• 2.2.1 墩台基础震动破坏形态
• 2.2.2 桥台地震位移模式及计算方法
• 2.2.3 算例分析
• 2.3 环境介质震动破坏机理
• 2.3.1 地基沉陷失效破坏机制
• 2.3.2 岸坡震动滑移破坏机制
• 2.3.3 算例分析
• 2.4 混凝土拱桥地震破坏数值分析
• 2.4.1 工程概况
• 2.4.2 计算模型建立
• 2.4.3 地震反应谱输入分析
• 2.4.4 全桥震动破坏数值分析
• 2.4.5 拱圈震动破坏数值分析
• 2.4.6 桥台震动破坏数值分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 强震区拱桥安全评价研究
• 3.1 拱桥震害安全评价分析方法
• 3.2 层次分析法的缺陷——不确定层次分析法的产生
• 3.3 不确定判断矩阵及其权重计算
• 3.3.1 区间数判断矩阵权重计算理论
• 3.3.2 误差传递理论在权重计算中的应用
• 3.3.3 区间数判断矩阵权重计算步骤与示例
• 3.4 强震区拱桥安全评价指标权重及等级向量确定
• 3.4.1 评价指标体系层次结构
• 3.4.2 建立拱桥安全评价因素集
• 3.4.3 强震区拱桥指标权重确定
• 3.4.4 强震区拱桥底层指标等级向量确定
• 3.5 工程算例
• 3.5.1 震害检测结果
• 3.5.2 建立因素评价集
• 3.5.3 一级模糊综合评价
• 3.5.4 二级模糊综合评价
• 3.5.5 三级模糊综合评价
• 3.6 本章小结
• 第四章 强震区拱桥抗震防护技术研究
• 4.1 概述
• 4.2 拱桥抗震防护基本原则
• 4.3 拱桥常用抗震防护技术
• 4.4 桥梁墩台液化地基膨胀桩挤压加固技术
• 4.5 桥台自平衡预应力对锚加固技术
• 4.6 桥台减载支撑加固技术
• 4.7 本章小节
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录