近断层地震动作用下TFPS支座矮塔斜拉桥隔震性能研究

摘要

三重摩擦摆支座(TFPS)作为新型隔震支座，能用于具有不同刚度和阻尼结构的减隔震设计，因而对于处于具有明显低频、高能等特征的地震动作用下的，尤其是近断层地震动下的多种结构体系的减隔震设计。本文在前人研究的基础上通过单摩擦摆支座单元(FPS)和间隙单元(GAP)串联模型建立了TFPS支座有限元分析模型，运用Midas/civil软件对加入TFPS支座的矮塔斜拉桥在面对不同PGA、PGV/PGA、场地特征周期、震级、脉冲周期、断层机制和断层距的30条代表性近断层地震动作用下的支座的隔震性能进行研究。作为对比，本文还对TFPS支座矮塔斜拉桥在5条远场地震动下的隔震性能进行研究，结果表明:
　　①TFPS隔震支座的加入能明显改变矮塔斜拉桥结构的自振周期，延长结构各阶主振型的出现时间。
　　②通过边界非线性时程分析，文中提取了大震和强震作用下支座的位移-力关系曲线和墩顶剪力时程曲线，两种情况下的时程剪力不但幅值减小很大，大部分具有位移和速度大脉冲的墩顶时程剪力反应也被支座隔去。通过大震和强震作用下的支座力-位移关系曲线对比发现支座在不同地震作用下的位移-力关系曲线不同，说明TFPS支座在面对不同情况的地震动时能通过自身进入不同的滑动状态来保证较好的隔震性能。
　　③分别将30条近断层地震动两个方向的墩顶剪力和墩底弯矩隔震率与场地类别、地震方向、PGA、震级、PGV/PGA、特征周期、断层距、脉冲周期之间的对应关系统计后发现，无论场地、地震动方向、PGA、震级、PGV/PGA、场地特征周期怎样变化，TFPS支座的墩顶剪力隔震率均大于60％。但墩顶剪力隔震率在断层距在10kM左右隔震率相对较其余情况下的隔震率会减小约15％。总体来说TFPS支座墩顶剪力隔震能力能保持“无差对待”，墩底弯矩隔震率则与PGA、PGV/PGA、震级的不断增加呈增大趋势，与特征周期、断层距的不断增加呈减小的趋势。无论墩底弯矩还是墩顶剪力在以上参数的变化下均不能总结出支座隔震率某单一参数变化下的具体的变化规律。将TFPS支座墩底弯矩隔震率出现负数的特殊情况的4条近断层地震动进行了单独分析，结果显示，出现隔震率较差的情况主要为具有明显断层活动的地震动、特征周期较长或反应谱上升段时间长的地震动。建议在TFPS支座设计时着重考虑场地设计地震加速度和断层距以及断层活动历史，对于脉冲周期、断层机制、场地特征周期可适当考虑。
　　④5条远场地震动与TFPS支座出现隔震率较低的近断层地震动一样由于其反应谱上升段较长，隔震效果均较差。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1．研究背景及选题意义

1．2．TFPS支座国内外研究现状

1．3．TFPS支座用于桥梁工程中实际意义

1．4．本文主要研究内容

2．TPFS隔震机理及有限元中的分析

2．1．地震作用下结构的响应分析方法

2．2．非线性直接积分法

2．3．TFPS滞回特性及有限元分析方式

2．3．1．单向摩擦摆支座(FP)在软件中的实现

2．3．2．支座等效过程中需要用到的其他单元介绍

2．3．3．TFPS支座的滞回模型

2．3．4．TFPS支座的等效

2．3．5．TFPS支座的设计要求

2．4．本章小结

3．有限元模型的建立

3．1．矮塔斜拉桥

3．1．1．工程概况

3．1．2．上部结构

3．1．3．下部结构

3．2．隔震前结构的自振特性及支座参数设计

3．3．支座简化模型的验证

3．4．本章小结

4．近断层地震动作用下TFPS隔震支座矮塔斜拉桥隔震性能

4．1．近断层地震动概述

4．1．1．近断层地震动的工程特性

4．1．2．近断层地震动对工程结构的影响

4．1．3．近断层地震动的选取

4．2．TFPS隔震性能分析

4．2．1．隔震后的自振特性

4．2．2．支座隔震效果综合分析

4．2．3．按近断层地震动特性分析隔震率

4．2．4．脉冲周期对隔震率的影响

4．3．TFPS支座近断层地震与远场地震对比

4．4．本章小结

5．结论与展望

5．1．结论

5．2．展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果