近断层地震下大跨钢管混凝土拱桥损伤模式研究学习体会

文献概况与研究意义

张令与徐略勤在《地震工程与工程振动》2020年第40卷第3期发表的这篇论文，以某三跨飞燕式钢管混凝土拱桥为研究对象，系统研究了近断层地震作用下大跨钢管混凝土拱桥的损伤模式。该研究依托重庆市教委科学技术研究项目和重庆市自然科学基金项目资助，在重庆交通大学土木工程学院及省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室完成。近断层地震具有速度脉冲效应显著、高频能量集中等特点，对桥梁结构造成的破坏往往比远场地震更为严重。本文的研究对于我国山区桥梁的抗震设计和既有桥梁的抗震评估具有重要的参考价值。

研究方法与模型建立

本文的研究方法体现了结构抗震分析的前沿水平。首先，作者建立了考虑自平衡荷载和桩土作用等效应的三维分析模型，这是进行准确地震响应分析的前提。自平衡荷载的考虑能够反映结构自重和预应力对地震响应的影响，桩土作用的等效处理则避免了复杂的土动力相互作用分析，在保证精度的同时提高了计算效率。

其次，依据近断层地震脉冲波的分类方法选取了9组近断层强震记录进行非线性时程分析。近断层地震记录的选取是研究的关键环节，不同脉冲类型（如近断层脉冲、远场脉冲）对结构响应的影响存在显著差异。作者选取9组记录进行对比分析，有助于揭示不同地震动特征对桥梁损伤模式的影响规律。

最后，基于关键构件的首次损伤时间，利用关键构件截面的PMM屈服面、PM曲线和截面应力评估方法，研究了桥例的地震损伤模式。PMM屈服面（P-M-M屈服面，即轴力-弯矩-弯矩屈服面）是评估构件截面承载力的重要工具，PM曲线则反映了轴力与弯矩之间的交互关系，结合截面应力评估方法，能够全面刻画构件的损伤状态。

损伤模式关键发现

本文的主要研究结论可归纳为以下几个方面。

从损伤模式分析来看，钢筋混凝土边拱及钢管混凝土主拱均以面内弯曲损伤为主，这与拱桥在面内方向的刚度相对较弱有关。K形风撑的斜撑作为抗震薄弱部位，存在受压和受拉两种损伤模式，说明风撑在地震作用下承受复杂的受力状态，其设计需同时考虑受压稳定和受拉强度。系杆和吊杆一般不会出现损伤状况且有一定强度储备，这为拱桥的抗震设计提供了有利条件，但也提示设计人员在关注主要受力构件的同时，不可忽视次要构件的损伤风险。

近断层地震速度脉冲效应

本文特别指出，近断层地震的速度脉冲也是引起结构发生破坏的重要原因之一。这一发现具有重要的工程意义。传统抗震设计中，往往侧重于地震加速度响应谱的控制，而对速度脉冲效应的考虑不足。近断层地震的速度脉冲具有持续时间短、速度峰值高的特点，能够在短时间内对结构施加巨大的惯性力，导致结构产生较大的位移和变形，进而引发损伤甚至破坏。

对于大跨钢管混凝土拱桥而言，速度脉冲效应的影响尤为显著。拱桥结构具有较大的柔度，在速度脉冲作用下容易产生较大的面内位移，导致拱脚和拱顶截面承受较大的弯矩。同时，速度脉冲可能激发结构的高阶振动模态，使得某些局部构件（如风撑斜撑）承受超出设计预期的内力。因此，在抗震设计中应充分考虑近断层地震的速度脉冲效应，必要时可采用速度脉冲修正的时程分析或引入速度敏感系数进行抗震验算。

与工程实践的结合

本文的研究成果对大跨钢管混凝土拱桥的抗震设计和既有桥梁的抗震评估具有重要指导意义。从钢管及管件制造的角度来看，拱桥主拱和边拱的钢管混凝土构件在制造过程中需重点关注以下几个方面。

第一，钢管的焊接质量直接影响拱肋的整体性能。拱肋通常为长直或曲线钢管，焊接接头的位置、数量和焊缝质量对拱肋的承载力和延性有重要影响。在抗震设计中，应确保焊接接头位于塑性铰区域以外，避免焊缝在地震作用下率先失效。第二，钢管的几何精度和壁厚均匀性需严格控制。拱肋的弯曲变形能力与钢管的截面几何特性密切相关，壁厚不均匀或截面畸变会降低钢管的约束效果和混凝土的约束应力。第三，拱脚节点的连接方式需充分考虑抗震需求。拱脚是拱桥最易受损的部位，节点连接应具有良好的延性和耗能能力，避免脆性破坏。第四，K形风撑的斜撑作为抗震薄弱部位，其制造和安装质量需特别关注，确保斜撑的受压稳定和受拉强度满足设计要求。

学习心得与启示

通过研读本文，我深刻认识到近断层地震对大跨钢管混凝土拱桥的破坏机制与传统远场地震存在显著差异。速度脉冲效应、面内弯曲损伤模式以及K形风撑斜撑的受压受拉双模式损伤等发现，为拱桥的抗震设计提供了新的视角。特别是PMM屈服面和PM曲线在损伤评估中的应用，为结构抗震性能评估提供了量化的分析工具。

从钢管制造和焊接技术角度来看，拱桥用钢管混凝土构件的制造质量直接关系到桥梁的抗震性能。钢管的焊缝质量、壁厚均匀性、截面几何精度等制造指标，不仅影响构件的静力承载能力，更影响构件在地震作用下的延性和耗能能力。因此，在拱桥用钢管的制造过程中，应严格执行相关标准（如GB/T 1591、SY/T 5040等），加强焊缝无损检测和力学性能试验，确保钢管混凝土构件具有足够的抗震性能储备。同时，建议在未来的抗震设计研究和标准制定中，进一步考虑近断层地震速度脉冲效应对钢管混凝土拱桥的影响，完善抗震设计方法，提升桥梁工程的地震安全性。