一
研究意义
在中国西部地震危险性较高的地区，过去 20 年里建造了大量高墩大跨度的预应力混凝土连续刚构桥（下文简称刚构桥）。现有研究一般认为地震破坏会集中在桥墩上，主梁在地震中会保持弹性。2008年汶川8.0级大地震，距震中不到15km的庙子坪特大桥主桥箱梁出现了很严重的开裂现象，尤其在腹板及合龙段附近区域的底板，这在以往的桥梁震害中几乎未见。这也是近年来国内首例百米高墩大跨度刚构桥震害案例。地震下刚构桥主梁的开裂机理、影响因素及控制尚未明确。
本文以庙子坪桥箱梁的实际震害为基础，结合施工过程，得到箱梁截面上的初始应力；然后，输入震时桥址附近的台站记录进行时程分析。通过地震作用下箱梁截面的最大（主）应力来讨论箱梁的开裂震害机理；量化了横桥向、纵桥向及垂直地面运动对主梁应力增量的占比及空间地震动影响；讨论了挡块破坏和梁端上抬对主梁开裂的影响；最后建议利用摩擦摆支座防止主梁开裂的减震隔震措施。
二
研究内容
1
震害及有限元模型
庙子坪特大桥位于中国四川省都江堰紫坪铺水库大坝上游15km处，设计地震基本烈度Ⅶ度。主桥为PC连续梁刚构桥，主跨125m+220m+125m。主桥箱梁设计采用三向全预应力结构设计。汶川地震中主梁出现数量较多的裂缝，部分箱梁开裂震害如图1所示。底板、腹板及横隔板均有开裂现象，相比较而言腹板裂缝较多，底板裂缝次之，顶板裂缝较少。
图1 主梁开裂震害图
（选自《汶川地震公路震害调查》）
有限元模型如图2所示，设置主墩、过渡墩墩底部为固结。主墩与主梁为固结，设置为刚性连接。通过设置弹性连接模拟过渡墩与主梁间的盆式橡胶支座。按照主要悬臂施工流程模拟，分阶段施加悬臂施工阶段的402根预应力钢筋（如图3）、桥面铺装等荷载。
图2 有限元模型
图3 预应力钢束布置
庙子坪特大桥主桥施工采用悬臂施工技术，图4为有限元模拟5#墩E截面下缘应力结果随悬臂施工进程的变化与施工现场实测结果对比（共计33个悬臂施工阶段）。可见实测应力变化趋势与理论计算结果的变化趋势吻合较好，证明理论计算基本符合施工全过程实际情况，验证了有限元建模及桥梁初始内力计算的准确性。
图 4 截面应力模拟与实测结果对比
2
地震波输入
图5为庙子坪特大桥桥址、附近台站、断裂等相对位置，可以看出庙子坪特大桥位于安县–灌县断裂与北川–映秀断裂之间。桥址离震中距离较近，约15km，距中央主断裂的垂直距离不到6km左右。选取桥址附近8组强震记录加外El Centro和Taft波作为本文时程分析的10组地震波。同时参考紫坪铺面板堆石坝（距庙子坪特大桥2.95km）的地震波的输入研究，将地震波调幅后进行时程分析输入。
图 5 桥址、断裂及台站相对位置
3
地震响应结果分析
腹板的实际震害与模拟结果对比如图6。总体来看不同地震波下应力响应趋势基本一致，只是幅值大小有差异。数值模拟得到的最大拉、压应力区主要集中在边跨1/6–1/2区域及中跨1/4–3/4区域，这与震害裂缝分布吻合度非常高。
图 6 腹板数值模拟与实际震害对比
计算各条波分别在单独竖向、顺桥向、横桥向地震波输入下的主梁的应力增量与三向输入的应力增量的比值，取均值，作为各向地震动输入的应力占比，最后做归一化处理。其中，应力增量为地震波下应力值与对应截面处初始应力的差值。由图 7 可以看出顺桥向地震动对全桥主拉应力占比在30%–40%之间，尤其是左边跨高应力区域较大。横桥向地震动下主拉应力占比在30%–35%之间，其中在跨中较大。竖向地震动下主拉应力占比整体在30%左右，跨中较小。总的说来，三个地震动方向的应力占比均较大，尤其是顺桥向及横桥向。
图 7 不同方向地震动对腹板应力的占比
4
主梁开裂影响因素及控制
汶川地震中过渡墩的四个挡块全部发生破坏、移位，四个支座完全失效。以与震害吻合度较高的绵竹清平波输入工况为例，改变梁端边界条件，分析考虑挡块破坏及支座仅受压特性对主梁地震响应的影响。如图8所示，改变边界条件后主梁的应力虽然发生一定变化，但是高应力分布区与实际震害仍有较为一致的总体趋势，这进一步确认了本文震害数值模拟的可信性。挡块破坏后跨中的主拉、主压应力有一定程度的减小。考虑过渡墩支座竖向脱开（支座仅受压）后边跨腹板压应力减小约6MPa。
图 8 梁端不同边界条件下腹板主拉应力对比
为控制主梁在地震下的开裂损伤，在两个过渡墩各设置两个FPB。摩擦摆支座模型如图9，参照摩擦摆支座选型指南，支座曲率半径取R=3 m，摩擦系数取0.05，屈服位移dy取2.5 mm，减隔震位移D取400 mm（此时横桥向挡块间隙要允许相应的变形发生）。设置FPB后，跨中腹板的主拉、压应力在明显减小，边跨腹板应力的变化较小（图10）。
图 9 摩擦摆支座模拟
图 10 设置摩擦摆支座后腹板应力对比
三
研究结论
本文以汶川地震庙子坪特大桥主梁为例，研究了PC连续梁刚构桥箱梁震害开裂机理及控制，主要结论如下：
(1) 明确了高墩大跨刚构桥地震破坏的模式：高墩大跨刚构桥主梁抵抗地震荷载，地震下主梁承受相对较大的（主）拉应力，当最大（主）拉应力超过混凝土的抗拉强度时，会发生开裂震害。
(2) 箱梁边跨1/6–1/2及中跨1/4–3/4区域处腹板，边中跨合龙段及相邻2–3个节段处底板在地震中易出现高应力区，易发生开裂。
(3) 过渡墩横桥向挡块破坏后，主梁跨中应力减小；考虑梁端上抬后，边跨（主）压应力显著降低。总的来说，这两种损伤行为似乎对桥梁主梁的抗震有利。
(4) 在大跨度高墩刚构桥主梁抗震分析中，必须考虑三个方向的地震动输入。在过渡墩设置双向摩擦摆支座（FPB），可部分降低主梁跨中截面腹板的主拉应力和主压应力，进而减轻主梁的开裂震害。
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知识点：PC连续梁刚构桥箱梁震害开裂机理及控制
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