铰接构造框架式曲线梁桥三维地震反应的研究

摘要

桥梁是公路的重要组成部分，一旦遭受地震破坏，不仅经济损失巨大，后期修复困难，更会造成交通瘫痪，救灾物资运输缓慢，导致灾区的伤员无法得到及时救治，间接损失无法估量。随着人类科技的飞速发展，大跨径、高桥墩、复杂结构形式的桥梁不断被建设应用，在地震作用下这些复杂形式桥梁的动力反应及非线性行为已经成为学术界和工程界探讨的重点。
　　铰接构造框架式曲线梁桥在美国的高速公路建设中被广泛使用，由于这一桥型往往具有高桥墩、大跨径，并包含框架结构、铰接构造的结构特点，其动力性能十分复杂，在近几次的大地震中，其遭受的破坏十分严重。因此，对这一桥型的地震反应进行深入研究并明确非线性损伤过程具有重要的学术价值和巨大的工程需求背景。本文结合加利福尼亚州的Yuba曲线桥及桥址附近的三维Northridge地震波针对铰接构造框架式曲线梁桥进行动力分析，深入研究这一桥型的地震反应和非线性损伤过程。主要的研究内容及创新成果如下:
　　1、系统地归纳了铰接构造框架式曲线梁桥的非线性动力模型的建立方法和过程。介绍了混凝土、钢筋的材料本构模型;总结了桥台土壤弹簧、桥台剪力键、桥梁内部弹性支撑垫的非线性模型的模拟理论和方法;对比了桥梁碰撞的非线性模型，并使用考虑了滞回阻尼的赫兹模型模拟桥梁的碰撞单元;创新性地提出了铰接构造的细部模拟方法。
　　2、研究铰接跨的非线性损伤过程及铰接点两侧纵向间距对铰接跨损伤过程的影响。采用细分模型和简化模型分别对铰接梁跨进行局部模拟，通过对比模型数据研究两种模型的准确程度和适用范围;通过Pushover分析研究铰接构造内部的弹性橡胶支座、纵向限位钢束、横向受压弹性支撑垫、横纵向碰撞单元及铰接跨根部梁段的非线性过程及损伤次序;在细分模型中改变铰接点两侧梁段的纵向间距，通过Pushover分析获得纵向间距及纵向碰撞对铰接构造内各限位装置及梁跨根部梁段的非线性过程的影响。
　　3、研究转动惯量对曲线桥动力特性的影响，确定曲线桥建模的最优质量布置形式。总结曲线桥建模的四种常用质量布置形式;对四种质量布置下Yuba曲线桥模型进行特征值分析，对比模型的自振周期、基本振型和高阶振型，研究转动惯量的输入对曲线桥自振状态的影响;选用2.0倍的Northridge地震波对四种质量布置下的Yuba曲线桥模型进行非线性时程分析，通过分析结果研究转动惯量的输入对曲线梁桥的主梁位移、桥墩弯矩曲率及桥墩扭矩的影响;并最终确定曲线桥动力模型的最优质量布置形式。
　　4、铰接构造框架式曲线梁桥的三维地震反应的研究。通过对比三维地震荷载和二维地震荷载作用下Yuba曲线桥的主梁位移和桥墩弯矩曲率获得竖向地震波对桥梁地震反应的影响;在三维地震荷载下，对Yuba曲线桥进行非线性时程分析，获得主梁、桥墩、桥台、铰接构造及各限位装置和碰撞单元的地震反应，确定框架式曲线梁桥的易损伤位置;通过改变桥墩墩高设置，获得桥墩对称设置及墩高减小设置对桥梁地震反应的影响。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 桥梁震害及启示

1．3 桥梁抗震研究概况

1．3．1 国内研究概况

1．3．2 国外研究概况

1．4 本文的研究内容

2 桥梁结构地震响应分析方法

2．1 引言

2．2 地震响应分析方法

2．2．1 Pushover分析法

2．2．2 反应谱分析法

2．2．3 非线性时程分析法

2．2．4 增量动力分析法

2．3 本章小结

3 铰接构造框架式曲线梁桥模拟

3．1 引言

3．2 桥梁结构描述

3．3 OpenSees模拟平台

3．4 材料本构关系

3．4．1 混凝土本构关系

3．4．2 钢筋本构关系

3．5 桥梁细部模拟

3．5．1 主梁与桥墩单元

3．5．2 预应力束单元

3．5．3 桥墩桩基础

3．5．4 桥台

3．5．5 剪力键

3．5．6 弹性支撑垫

3．5．7 碰撞单元

3．5．8 铰接构造

3．6 本章小结

4 基于Pushover对Yuba曲线桥铰接跨破坏状态分析

4．1 引言

4．2 桥梁铰接跨模拟及Pushover过程

4．2．1 铰接跨模型

4．2．2 铰接跨的Pushover过程

4．3 Yuba桥铰接跨破坏过程分析

4．3．1 细分模型与简化模型对比

4．3．2 横向受压弹性支撑垫

4．3．3 弹性橡胶支座

4．3．4 纵向限位钢束

4．3．5 横向碰撞单元

4．3．6 纵向碰撞单元

4．3．7 铰接梁跨根部单元弯矩与曲率比

4．3．8 铰接构造内的混凝土结构

4．3．9 铰接跨破坏状态总结

4．4 铰接位置纵向间距对铰接跨破坏过程的影响

4．4．1 细分模型与简化模型对比

4．4．2 不同纵向间距模型Pushover横向力对比

4．4．3 不同纵向间距模型横向受压弹性支撑垫内力对比

4．4．4 不同纵向间距模型弹性橡胶支座剪切力对比

4．4．5 不同纵向间距模型纵向限位钢束内力对比

4．4．6 不同纵向间距模型纵向碰撞单元内力对比

4．4．7 不同纵向问距模型横向碰撞单元内力对比

4．4．8 不同纵向间距模型梁跨根部弯矩与曲率比对比

4．4．9 不同纵向间距对计算结果的影响分析

4．5 本章小结

5 确定曲线桥动力计算的最优质量布置形式

5．1 引言

5．2 结构质量

5．2．1 主梁转动惯量的求解

5．2．2 桥墩转动惯量的求解

5．3 不同质量布置对曲线桥自振周期及各阶振型的影响

5．3．1 无阻尼系统的自由振动

5．3．2 不同的质量布置形式

5．3．3 特征值分析

5．4 不同质量布置对曲线桥地震反应的影响

5．4．1 确定地震荷载

5．4．2 不同质量布置下结构的地震反应

5．5 本章小结

6 铰接构造框架式曲线梁桥的地震反应

6．1 引言

6．2 竖向地震作用对曲线桥地震反应的影响

6．2．1 竖向地震作用对主梁位移的影响

6．2．2 竖向地震作用对桥墩弯矩曲率的影响

6．3 三维地震作用下铰接构造框架式曲线梁桥的地震反应

6．3．1 主梁结构的地震反应

6．3．2 桥墩结构的地震反应

6．3．3 铰接构造内的地震反应

6．3．4 桥台结构的地震反应

6．4 本章小结

7 墩高布置对铰接构造框架式曲线梁桥地震反应的影响

7．1 引言

7．2 桥墩高度对称布置

7．2．1 主梁纵向位移

7．2．2 主梁竖向位移

7．2．3 主梁横向位移

7．2．4 主梁铰接点处转角

7．3 减小桥墩高度

7．3．1 主梁纵向位移

7．3．2 主梁竖向位移

7．3．3 主梁横向位移

7．3．4 桥墩Mz方向曲率

7．3．5 桥墩Mx方向曲率

7．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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