高架桥梁地震碰撞分析及控制

摘要

强烈地震作用下，高架桥梁相邻桥跨之间由于存在动力特性的差异，或者受到非一致地震动作用的影响，容易遭受碰撞破坏。强烈地震作用下高架桥梁碰撞过程中存在复杂的材料非线性、几何非线性和接触非线性，碰撞机理复杂。此外，针对地震所引发的高架桥梁碰撞，如何采用工程措施降低结构的震害，是需要迫切解决的问题。
　　本文针对高架桥梁在强烈地震作用下的碰撞机理及控制措施，采用显式非线性有限元分析技术和简化分析方法相结合的方法，研究了地震碰撞破坏机理和控制方法，主要内容包括：
　　（1）通过显式非线性有限元分析软件LS-DYNA，针对某三跨简支悬臂梁桥的精细化建模，研究了地震动幅值、主梁周期、伸缩缝间距和支座阻尼比等结构参数变化对结构碰撞动力特性的影响及结构的碰撞机理。
　　（2）针对在高架桥梁伸缩缝处安装橡胶缓冲材料，以减轻强震作用下高架桥梁碰撞的工程技术措施，通过显式非线性有限元精细化建模和分析，研究了橡胶缓冲材料的剪切模量、厚度和摩擦系数等参数对减轻结构碰撞动力响应的影响。探讨了采用橡胶缓冲材料减轻高架桥梁地震碰撞的可行性以及材料参数选择的方法。
　　（3）通过理论与试验相结合的技术手段，研究了采用MR阻尼器对高架桥梁在强烈地震作用下碰撞动力响应的半主动控制方法。分析过程中以Kelvin和Hertz阻尼模型模拟结构间的碰撞，基于LQG控制算法提出了高架桥梁碰撞的半主动控制策略，并进行了试验验证。此外，基于高架桥梁模型振动台碰撞试验结果，建立了一套识别了Kelvin和Hertz阻尼模型的方法。分析结果表明，目前以结构轴向刚度作为Kelvin模型碰撞刚度的取值方法，与试验所识别的结果存在较大差异，如何对碰撞简化分析模型参数进行合理取值，是值得进一步深入研究的课题。
　　（4）针对双向地震作用下，高架桥梁由于微小质量偏心所引起的非轴向点面碰撞，提出了高架桥梁二维点接触碰撞的摩擦接触模型，并建立了相应的力学分析模型。通过双向地震动输入下的高架桥梁振动台模型试验，验证了摩擦接触模型以及所建立的结构力学分析模型用来模拟结构扭转碰撞的正确性。试验结果也表明，高架桥梁的微小扭转容易导致结构的点面扭转碰撞，在结构抗震设计中应予以重视。

目录

高架桥梁地震碰撞分析及控制

SEISMIC-INDUCED POUNDING ANALYSISAND CONTROL OF HIGHWAY BRIDGES

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 高架桥梁的主要震害

1.3 土木工程结构碰撞研究现状

1.4 桥梁结构的振动控制

1.5 课题主要研究内容

第2章 结构碰撞分析的理论基础

2.1 引言

2.2 结构碰撞的简化分析方法

2.3 结构碰撞分析的显式有限元方法

2.4 本章小结

第3章 高架桥梁地震碰撞机理分析

3.1 引言

3.2 高架桥梁有限元模型

3.3 高架桥梁地震碰撞显式分析

3.4 本章小结

第4章 橡胶缓冲材料减轻高架桥梁地震碰撞分析

4.1 引言

4.2 橡胶材料性能

4.3 安装橡胶缓冲材料的高架桥有限元模型

4.4 分析参数和分析内容

4.5 本章小结

第5章 高架桥梁地震碰撞的磁流变半主动控制

5.1 引言

5.2 力学分析模型

5.3 半主动控制系统设计

5.4 试验方案

5.5 试验结果分析

5.6 理论和试验结果对比分析

5.7 本章小结

第6章 双向地震作用下的高架桥梁扭转碰撞

6.1 引言

6.2 力学分析模型

6.3 试验方案

6.4 试验结果分析

6.5 数值模拟与试验结果对比分析

6.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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