考虑地基与结构相互作用的上承式钢管混凝土拱桥地震响应研究

摘要

大跨度钢管混凝土拱桥由于具有设计施工方便、经济美观等优点，应用越来越多。对于大跨度钢管混凝土拱桥地震响应的研究，目前大多数都是采用基底固结的假定，未考虑地基--结构相互作用对桥梁地震响应的影响；少数文章考虑了地基一结构相互作用，但对边界条件的处理都取得非常简化；《公路工程抗震设计规范》对于地基一结构相互作用的规定，也仅限于考虑地基变形对桥梁结构周期的影响。为了研究考虑地基--结构相互作用的大跨度钢管混凝土拱桥地震响应，本文研究了线性及非线性粘弹性人工边界，并对线性与非线性情况下粘弹性人工边界地震波动输入方法进行了研究；本文以粘弹性人工边界模拟远场地基的辐射阻尼与恢复性能，截取有效的地基计算域，以支井河特大桥--跨径为430m的上承式钢管混凝土拱桥为工程背景，建立了包括上部桥梁与下部地基的整体分析模型，在考虑地基--结构相互作用影响下对上承式大跨度钢管混凝土拱桥进行了线性与非线性地震响应研究。本文所作的主要工作如下： 1、三维非线性粘弹性人工边界研究 目前的粘弹性人工边界研究集中于远场介质为完全线弹性波动的情况，为了得到适于非线性分析的粘弹性人工边界，本文将远场介质假设为粘弹性材料，基于弹性波理论与粘弹性理论构造了用于模拟远场地基非线性效应的三维粘弹性人工边界。数值计算结果表明，若将半无限连续介质截断，在截断处法向及切向人工边界上施加本文得到的非线性粘弹性人工边界，可使人工边界上力和位移的条件与原波场相同，能够模拟波动自计算域向远场粘弹性介质的传播。 2、三维线性及非线性粘弹性人工边界地震波动输入研究 正确的地震波动输入是分析地基--结构动力相互作用的前提，本文对三维线性及非线性粘弹性人工边界地震波动输入方法进行了研究，得到了为实现地震波动输入施加在粘弹性人工边界上等效荷载FB（t）的表达式，使等效荷载FB（t）可以用输入地震波的位移（u）及速度（u）来完全表达，易于实现地震波动的输入。 3、钢管混凝土构件受力性能数值研究 分别根据三维实体有限元法和纤维单元法的钢管混凝土材料应力--应变关系得到了适于圆截面梁单元的材料应力--应变关系，数值算例证明采用由纤维单元法得到的钢管混凝土应力--应变关系应用于梁单元能取得理想的数值计算结果，并用梁单元法对钢管混凝土构件的荷载一位移滞回曲线进行了计算，取得了理想的结果。 4、考虑地基--结构相互作用影响的上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震响应研究 以支井河特大桥为工程背景，分别以线性和非线性粘弹性人工边界模拟远场地基的辐射阻尼及弹性恢复性能，在考虑地基一结构相互作用的情况下对上承式大跨度钢管混凝土拱桥进行了线性、非线性地震响应分析。分析结果表明，在强度满足条件下桥基混凝土的标号没必要取太高，桥基混凝土弹模过大对上部桥梁结构地震响应有不利影响；当桥基建在坚硬的基岩上时，考虑地基--结构相互作用后桥梁地震反应内力与桥基固结时的结果相比降低，这种情况下基底固结计算结果偏安全；当桥基建在较软的基岩上时，考虑地基--结构相互作用后桥梁关键截面的内力大于桥基固结时的地震响应结果，证明基岩较软时，地基--结构相互作用对上部桥梁地震响应有可能产生不利影响，对于大跨度钢管混凝土拱桥在复杂地基条件下的抗震分析应视特殊情况作具体分析；地基--结构相互作用对上部桥梁地震响应的影响随着基岩弹模的降低而增大；横桥向的地震动输入时地基--结构相互作用对桥梁地震响应的影响大于纵向、竖向地震动输入时。本文还在考虑地基--结构相互作用条件下研究了行波效应对大跨度钢管混凝土拱桥地震响应的影响，也得出了一些有益于工程的结论，对加深大跨度钢管混凝土拱桥抗震性能的认识将提供帮助。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1本文研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1地基-结构相互作用研究现状

1.2.2人工边界研究现状

1.2.3大跨度钢管混凝土拱桥地震响应分析研究现状

1.3本文研究目的及主要内容

1.4本文创新点

第二章三维非线性粘弹性人工边界研究

2.1引言

2.2粘弹性人工边界研究现状

2.2.1二维粘弹性人工边界

2.2.2三维线性粘弹性人工边界

2.3三维非线性粘弹性人工边界

2.3.1法向三维非线性粘弹性人工边界

2.3.2切向三维非线性粘弹性人工边界

2.4三维非线性粘弹性人工边界模拟远场辐射阻尼数值验证

2.5本章小结

第三章三维粘弹性人工边界地震波动输入方法研究

3.1引言

3.2地震波动输入方法

3.2.1地震波动输入方法研究概述

3.2.2适于粘弹性人工边界的地震动输入法

3.3三维线性粘弹性人工边界地震波动输入

3.3.1垂直底面入射P波

3.3.2垂直底面入射S波

3.4三维非线性粘弹性人工边界地震波动输入

3.4.1计算域及远场介质都是粘弹性材料

3.4.2远场介质是粘弹性材料而计算域为弹塑性材料

3.5数值算例

3.5.1线性三维粘弹性人工边界地震波动输入验证

3.5.2非线性三维粘弹性人工边界地震波动输入验证

3.6本章小结

第四章钢管混凝土构件受力性能数值研究

4.1引言

4.2钢管混凝土构件受力性能数值研究方法

4.2.1纤维单元法

4.2.2三维实体有限元法

4.2.3梁单元法

4.3圆截面钢管混凝土梁单元应力-应变关系

4.3.1方法1

4.3.2方法2

4.3.3圆截面混凝土梁单元受拉应力-应变关系

4.4圆截面混凝土梁单元截面中性轴位置确定

4.5数值验证

4.6梁单元法计算钢管混凝土构件荷载-位移(P-△)滞回曲线

4.7本章小结

第五章考虑地基-结构相互作用的钢管混凝土拱桥地震响应分析

5.1引言

5.2桥梁震害调查及分析

5.3地基-结构相互作用

5.4人工边界

5.5桥梁抗震计算的动态时程分析法

5.6地震波的选取与调整

5.7桥梁结构的振动阻尼

5.8上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震响应分析

5.8.1工程概况

5.8.2计算模型

5.8.3自振特性分析

5.8.4钢管混凝土拱桥线性地震响应时程分析

5.8.5考虑非线性时大跨度钢管混凝土拱桥地震响应分析

5.9本章小结

第六章考虑地基-结构相互作用的钢管混凝土拱桥行波效应研究

6.1引言

6.2考虑地基-结构相互作用时行波效应研究

6.2.1考虑纵向地震波行波效应时计算结果

6.2.2考虑横向地震波行波效应时计算结果

6.3本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

博士期间发表的论文及参加的科研项目