冻土强震区桥梁方案灾变风险与优化研究

作     者：刘陈 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊治华

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：冻土区桥梁 灾变风险 地震易损性 结构方案 优化研究 

摘      要：冻土强震区气候恶劣、紫外线强、建设难度高,目前桥梁建设仍面领着诸多难题。冻土强震区桥梁如何加快建设、更好的防灾减灾是亟需解决的问题。尤其是青藏公路桥梁运营多年,现今已有较多病害,如何评估桥梁健康状况然后进行防灾减灾方案设计是一个需要引起重视研究方向。本文开展了四个方面的主要研究,能为未来的桥梁震后响应及救灾方案提供一定的参考。第一,对冻土强震区的桥梁灾变风险进行了讨论,并提出了一些加固和性能评价思考;第二,采用SAP2000对冻土强震区桥梁开展了地震易损性分析;第三,对不同上部结构的桩基开展了设计,然后采用ABAQUS开展桩基回冻模拟;第四,开展冻土区装配式墩力学性能研究,Open SEES模拟了装配式墩的力学性能。研究的主要结论有:(1)青藏高原这一典型的冻土地区,桥梁建设需尽量避开迎风坡和汇水区域,加强防排水。可以酌情考虑墩底安装柔性钢护筒或GFRP护筒,降低滑坡崩塌对墩的冲击破坏。防灾方面,建议发展桥梁损伤快速评估,通过周期性的检测将全线桥梁健康状况时刻把握,基于此分级维修加固。灾后损伤严重时,建议采取整体换梁的方式快速恢复通车。需要加强车辆超载管控措施。开展桥梁韧性研究,可为灾后修复决策方案提供参考依据。(2)钢-混凝土组合梁桥的桥墩易损性较PC箱梁桥更好,但同时对支座和连接能力的要求有所提高。钢-混凝土组合梁桥墩顶和墩底破坏的最大概率分别降低了近20%和10%。橡胶支座和外剪切键损坏的最大概率分别增加约20%和25%。钢-混凝土组合梁桥的支座和挡块损伤概率较PC箱梁桥主要在冬季增加,夏季变化不明显。(3)多年冻土区夏季和冬季桥梁破坏概率存在显著差异。冬季桥墩破坏概率明显高于夏季。但橡胶支座和外剪切键的破坏概率大大降低。桥墩底部最易受破坏,支座主要受轻微损坏和中等损坏的影响。BPANN方法在预测中比LSSVM更稳定,机器学习预测多年冻土区桥梁的地震易损性曲线是有效和实用的。(4)同一土层中桩的回冻时间主要受桩径的影响,GFRP梁、整体组合梁和预应力混凝土T梁回冻结时间分别为15天、39天和52天。因此,在冻土地区优选较轻的上部结构,可以减小桩基的规模,将显著减少回冻时间,降低热扰动。(5)灌浆套筒预制墩与现浇墩的滞回曲线相近,尽管20m～40m跨径的桥墩受力骨架曲线幅值不同,但其极限位移相近,与易损性分析结果相印证。