大跨度桥梁连续倒塌分析与设计综述.docx

《大跨度桥梁连续倒塌分析与设计综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨度桥梁连续倒塌分析与设计综述.docx（5页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

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、设计使用寿命周期更长、服役环境

2、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应力，从而造成主梁、桥塔等部分损

3、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。ZoIi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

4、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灾害作用下的连续倒塌进行分析，能量准则、疲劳准则及变形/能量双重准则有一定的适用性；而对船撞、汽车撞击等冲击荷载及火、锈蚀等灾害作用，由于以静力作用为主，以上三种准则适用性较低。失效单元的处理是桥梁连续倒塌分析中的重点和难点。目前，大跨度桥梁连续倒塌分析多集中于以斜拉桥索结构作为初始损伤单元的连续倒塌问题，由于索结构自身质量小，失效后掉落对剩余结构的冲击作用较小，可

5、不考虑接触碰撞问题。然而，当初始损伤单元位于桥塔、主梁及墩台等下部结构时，一旦失效，初始损伤单元本身及该单元支撑的上部单元的自重和荷载作用会对结构产生巨大的碰撞力，对结构剩余部分产生显著作用，这对模拟连续倒塌过程有重要意义。然而这一问题在桥梁连续倒塌中较少被涉及，需进一步深入研究。目前大跨度桥梁连续倒塌的研究主要包括两类内容，一是对己发生的连续倒塌桥梁案例（如焊接不良导致I35W钢桁架桥连续倒塌、风振失稳导致TacomaNarrows悬索桥倒塌等）进行分析总结，研究倒塌发生原因及倒塌发生后的作用机制；二是针对特定桥型某一部位发生失效的情况下，数值模拟残余部分的抗倒塌性能，即采用备用传力路径法，

6、对单点或多点进行单元移除，进而分析剩余结构性能，判断连续倒塌情况，从而给出抗连续倒塌设计建议或防护措施。这类研究包括了很多特定失效模式的模拟，然而对失效模式、灾害问题与连续倒塌的关联性和问题中包含的不确定性因素引发的概率问题则较少被提及，也未形成可用于工程设计的指导方法；关于悬索桥连续倒塌问题的研究也基本处于空白状态。3、大跨度桥梁抗连续倒塌设计方法关于抗连续倒塌设计，在建筑结构方面的研究工作开展得较多，1eyendechker和E11ingwood于1977年提出了建筑结构抗连续倒塌设计的三类方法：间接设计法、直接设计法和事件控制法，且部分规范中形成了相应的条文。英国规范提出了拉结强度设计、

7、构件的跨越能力设计、关键构件设计三个层次的设计方法，并要求结构需具备承受一定水平荷载的能力。欧洲规范EUroCodeI则从结构本身以外的角度提出了设计方法，包括降低意外事件的发生概率、减轻意外事件对结构的破坏作用、增加结构强度等。美国规范中有多个规范涉及到连续倒塌问题，如美国混凝土协会ACI318M-02虽未直接提及连续倒塌设计方法，但包含了提高结构延性和结构整体性的措施，包括通过满足拉结力要求、优化钢筋设置等方式提高结构抗震性能,这些措施均能提高结构抗连续倒塌能力；美国公共服务管理局也提出了一些连续倒塌分析的方法，如提出了一个判断建筑是否可以免于进行抗连续倒塌分析的流程及对应的分析方法；美国

8、国防部则就具体连续抗倒塌设计提出了设计方法，提出了针对不同设防等级的拉结力设计、备用传递路径设计等不同等级的设计方法。相比之下，针对于大跨度桥梁的抗连续抗倒塌设计方法较少，尚未形成系统的规范方法用于设计指导，仅在部分斜拉桥设计规范中包含对斜拉桥断索导致连续倒塌问题的相关条文。目前相关研究工作基本思路大致与建筑结构的做法相似，考虑到大跨度桥梁的服役特点，在具体操作时应有所变化和侧重，具体做法如下。3.1 直接设计法应用AP进行特定桥梁结构连续倒塌的特定分析设计已被广泛应用，但多为理论分析，且仅针对特定位置的单元移除或损伤，不能考虑损伤发生位置的随机性，因此还需进一步完善设计指导，需将连续倒塌的随

9、机性因素纳入分析中。Son和AStanehAs13通过对多种设计方案比较就大跨度桥梁的爆炸防护提出了一些建议，使用直接设计法从关键单元控制和桥型选择两个角度考虑了提高悬索桥与斜拉桥抗连续倒塌能力的方法。3.2 风险概率控制借鉴非结构法，通过改变结构可能遇到的偶然作用发生概率、对薄弱部位的保护、减小偶然危害的严重程度等方面提高大跨度桥梁的抗连续倒塌能力，如2007年在墨西哥Mezca1aBridge发生的汽车撞击导致桥索断裂，由于及时采取措施控制了危害，避免了结构连续倒塌。WiniamSon和Winget对于灾害引起的连续倒塌，可先通过控制灾害发生和减小灾害对结构的影响作为基本的非结构设计方法。

10、例如通过管理手段控制意外过载、汽车撞击、船撞等事件的发生，通过安全监控系统尽可能避免恐怖袭击、飞行物撞击等事件的发生。在选址时避免位于断层、强风带等灾害高风险区域，从灾害源方面减少连续倒塌风险；优化结构体型，例如采用控制拉索布置形式、改变构件外形等方式减少灾害作用对结构的损害；增加额外的防护措施，例如桥墩增设主动和被动防护层，以避免水流、船撞对桥墩的威胁等方式。3.3 构件拉结力设计拉结力可以保证结构的整体性和延性以及改变传力路径的能力，桥梁结构的跨越性特性，决定了在进行拉结力判定时，必须优先满足水平方向拉结力的连续性要求。对于大跨度桥梁，由于一些桥型通过竖向拉结力来满足结构的水平拉结力需求（

11、斜拉桥和悬索桥），需保证其多向拉结力的连续性。设计时可根据结构重要性确定构件所需拉结力性能水平和具体参数，在完成常规设计后验证各构件拉结力水平是否满足要求，若不满足则需对构件进行加固设计，也可在构件的设计中采用优化方法以获得更优的内力分配形式，以保证其具有足够的抗倒塌能力。这一方法不能独立作为桥梁抗连续倒塌设计方法，需结合具体情况进行备用传递路径要求设计和延性要求设计。3.4 备用传递路径设计多数情况下，仅通过提高拉结力来保障大跨度桥梁抗连续倒塌能力偏于保守。从经济性和实用性角度来考虑，往往允许构件发生局部损伤或破坏，但此时要求通过备用传递路径限制损伤的进一步扩散，以保证受损结构的整体性，提高抗倒塌能力。针对可能引发连续倒塌的易损单元位置，需要在