逆断层错动下简支梁桥变形与应力特性研究：模型试验与数值模拟

针对逆断层错动导致简支梁桥结构失效的工程难题，研究人员通过1:16缩尺模型试验和混凝土损伤塑性有限元模拟，揭示了桥梁在断层错动下的四种典型破坏模式（梁体位移倾斜、支座错位、桥墩倾斜及落梁），为西部多断层区域桥梁抗震设计提供了关键数据支撑。

　　

在中国西部复杂的多断层地震带，公路桥梁常需跨越活动断层，而逆断层错动引发的永久地表位移可导致桥梁结构严重损毁。1906年旧金山地震中铁路桥的垮塌、1999年台湾集集地震Pi-Feng桥的桥墩抬升3-4米等案例，凸显了断层错动对桥梁的毁灭性影响。尽管简支梁桥因造价低、易修复成为跨断层桥梁的常见选择，但其抗断层错动性能的研究却存在明显空白——现有研究多聚焦近断层地震动响应，而忽视断层永久位错导致的准静态破坏机制。更关键的是，相关实测数据匮乏，数值模拟与模型试验的对比验证研究几乎空白。

为此，依托国家自然科学基金项目（U2039208），中国某研究团队以西部某国道跨活动断层的简支梁桥为原型，采用"大尺寸常重力强震地裂模型装置"开展1:16缩尺模型试验，结合混凝土损伤塑性（Concrete Damage Plasticity, CDP）有限元模拟，系统研究了逆断层错动下桥梁的变形与破坏机理。

关键技术方法

1. 大尺寸常重力强震地裂模型装置：通过液压系统实现断层位错的准静态模拟，位移控制精度达毫米级
2. 多参数同步监测：采用应变片、位移计等采集梁体位移、支座变形、桥墩应变等关键数据
3. 混凝土损伤塑性模型：基于ABAQUS平台建立全桥非线性有限元模型，考虑材料拉压损伤演化
4. 断层滑移角参数化分析：对比30°、45°、60°三种断层倾角下的结构响应差异

研究结果

变形特征分析
试验显示逆断层错动引发四阶段破坏：首先梁体发生竖向位移（最大抬升量达原型等效值1.2m），随后支座出现横向错位（超过设计允许位移300%），随着位错增大，桥墩产生明显倾斜（倾角达5.8°），最终在断层位错量达80cm时发生落梁破坏。

损伤模式识别
有限元分析表明：1）梁体位移引发的碰撞挤压主要导致受拉损伤，损伤集中于四个关键部位——墩底（峰值损伤因子0.82）、梁底接触区、台胸墙和背墙；2）断层滑移角显著影响损伤分布，60°滑移角时墩底损伤范围比30°工况减少43%。

讨论与意义
该研究首次通过试验与模拟的相互验证，明确了简支梁桥在逆断层作用下的渐进式破坏链条：位错→梁体抬升→支座失效→墩柱塑性铰形成→落梁。相比传统地震动分析，准静态方法更适用于断层错动主导的破坏场景。研究成果为西部多断层区域（如新疆）桥梁抗震设计提供了三点关键依据：1）建议跨断层简支梁桥设置可牺牲式支座；2）墩底需配置抗弯-抗剪复合加固措施；3）断层交叉角度宜控制在60°-90°区间以降低地震响应。

这项发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》的研究，不仅填补了简支梁桥抗断层性能的认知空白，其创新的"模型试验-数值模拟"双轨研究方法，更为复杂地质条件下桥梁抗震设计提供了可复用的技术范式。