大跨度连续钢桁架柔性拱桥空间地震响应分析及减隔震研究

摘要

地震是一种破坏力大、突发性强和毁灭性大的一种自然灾害，随着交通运输的不断发展，大跨度桥梁结构在铁路和公路方面得到了广泛的建设，此类桥梁成为了连接交通运输和国民经济的生命线，具有非常重要的作用，因此进行大跨度桥梁结构的抗震设计研究是必不可少的。
　　本文以银川机场黄河特大桥——大跨度连续钢桁架柔性拱桥为工程背景，基于多自由度空间结构体系地震响应分析的基本理论，利用ANSYS建立空间有限元模型，采用动力时程分析法分析大桥在地震波一致输入、行波效应和多点输入下的地震响应，最后又进行了大桥减隔震设计研究，为相似桥梁的抗震设计提供一定的参考价值，主要研究内容如下:
　　(1)利用ANSYS建立了全桥三维有限元模型，采用集中质量法，通过SUBSPACE法分析结构的动力特性，获得大桥的振型和固有周期。通过有限元计算分析得到大桥的基频为0.69097Hz，表现为结构的一阶纵漂，后几阶振型表现为结构的横弯，说明桥梁结构横向刚度小，在设计中值得重视。
　　(2)地震波一致输入下，拱肋轴力、主桁弯矩峰值出现在拱脚和边墩附近，拱肋横向位移峰值出现在每跨拱顶截面，纵向位移峰值沿桥长变化平缓，在安装固定支座墩处为零;横向激励对横向位移影响很大，对纵向位移影响很小，纵向激励对纵向位移影响较大，对横向位移影响较小，竖向激励对水平位移影响很小;地震波组合输入对结构内力影响较单向输入大，建议在大跨度连续钢桁架拱桥抗震设计中应充分考虑地震空间特性，提高桥梁横向刚度，优化拱脚、边墩附近结构设计。
　　(3)地震波行波输入和多点输入对桥梁结构的影响复杂多变，对大跨度桥梁结构的内力和位移影响均很大，拱脚轴力以多点输入最为不利，其拱脚轴力是一致输入的1.685倍;梁端面外弯矩以行波输入下最为不利，是一致输入下的1.267倍;拱顶和主桁跨中节点纵向位移以行波输入下最大，多点输入次之，一致输入下最小，最大值和最小值相差达2.829倍和2.854倍，为此在进行大跨度桥梁结构抗震设计时，必须考虑地震波的时间性和空间性。
　　(4)引入减隔震支座可以延长结构的自振周期，有效地减小桥梁结构在地震荷载作用下的响应，拱肋轴力减震率最大可达86.25％，墩底弯矩、墩顶剪力减震率最大可达86.30％、87.13％，拱顶、主桁跨中位移减震率最大可达66.40％、66.40％;随着阻尼系数和支座屈服前后刚度比，减震率增大，最后趋于平缓，减隔震支座力学参数存在最优值，在进行减隔震支座设计时，应该注意支座力学参数的选取，使得减隔震效果最有效最经济。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外钢桁架拱桥的发展与现状

1．2．1 国内钢桁架拱桥的发展概况

1．2．2 国外钢桁架拱桥的发展概况

1．3 大跨度钢桁架拱桥的结构特征

1．3．1 大跨度钢桁架拱桥结构形式

1．3．2 大跨度钢桁架拱桥结构组成

1．3．3 大跨度钢桁架拱桥力学特性

1．4 大跨度桥梁抗震设计研究现状

1．5 桥梁减隔震原理及设计

1．5．1 减隔震原理

1．5．2 桥梁减隔震装置

1．6 本文主要研究内容

2 桥梁结构抗震设计理论

2．1 桥梁结构地震反应分析方法

2．1．1 静力法

2．1．2 反应谱理论

2．1．3 动力时程法

2．1．4 随机振动方法

2．2 多自由度体系的地震运动方程

2．3 桥梁结构振动阻尼

2．4 本章小结

3 大跨度连续钢桁架柔性拱桥的动力特性分析

3．1 工程背景

3．1．1 工程概况

3．1．2 结构形式

3．1．3 主要技术指标

3．2 结构有限元模型建立

3．2．1 有限元分析方法

3．2．2 有限元力学模型的简化

3．2．3 约束条件模拟

3．2．4 有限元模型建立

3．3 桥梁结构动力特性分析

3．3．1 桥梁结构的动力特性

3．3．2 桥梁结构振动方程的建立

3．3．3 特征值求解

3．4 钢桁架拱桥的自振特性分析

3．4．1 结构自振特性分析

3．4．2 结构特征振型分析

3．5 本章小结

4 一致激励地震时程响应分析

4．1 地震波参数确定

4．1．1 地震波选波要求

4．1．2 地震波加速度值调整

4．1．3 地震波持续时间确定

4．1．4 车P,JII黄河特大桥地震波选取

4．2 一致激励地震时程响应分析

4．2．1 地震波纵桥向输入

4．2．2 地震波横桥向输入

4．2．3 地震波纵桥向+竖向输入

4．2．4 地震波横桥向+竖向输入

4．2．5 地震波纵桥向+横桥向+竖向输入

4．2．6 地震波不同方向、不同组合结果比较

4．3 本章小结

5 非一致激励地震时程响应分析

5．1 行波效应作用下的地震时程反应分析

5．1．1 地震波纵桥向输入

5．1．2 地震波纵桥向+竖向输入

5．2 多点激励作用下的地震时程反应分析

5．2．1 地震波纵桥向+竖向输入

5．2．2 地震波横桥向+竖向输入

5．3 一致激励和非一致激励时程结果比较

5．4 本章小结

6 减隔震设计研究

6．1 减隔震原理

6．1．1 基本原理

6．1．2 减隔震体系模型分析

6．1．3 减隔支座有限元模型

6．2 三向隔震地震时程反应分析

6．2．1 桥梁减隔震前后自振特性分析

6．2．2 减隔震支座减震效果分析

6．2．3 减隔震支座参数敏感性分析

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 本文研究内容及主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果