高墩大跨径连续刚构桥弹塑性地震反应分析

摘要

高墩大跨径连续刚构桥已成为西部地区公路线路穿越崇山峻岭和高原沟壑时首选桥型。由于高墩大跨径连续刚构桥的跨径及各墩高差较大，其结构特性相对一般的低墩桥梁更加复杂，由此导致其地震反应特点与一般桥梁也有所不同，尤其是高墩与低墩的地震反应特性有很大的差异、大震作用下桥梁结构非线性特性、桩-土相互作用、多点激励以及行波效应等问题，导致结构地震反应更加复杂，因此有必要研究高、低墩地震反应和非线性地震反应特点。由于现行的《公路工程抗震设计规范》仅适用于桥墩高度不超过30m的桥梁，而且高墩大跨径桥梁的震害资料严重匮乏，抗震设计经验还不丰富。所以研究高墩大跨径连续刚构桥，即研究其高低墩以及非线性等的地震反应特点，对于此类桥梁结构的合理的抗震设计和未来的抗震鉴定加固都有重要的意义。 针对上述问题，本文以一座高墩大跨径连续刚构桥为例，分别建立了墩底固结模型、桩-土相互作用模型以及大质量模型，采用大型通用有限元程序ANSYS进行了线弹性与弹塑性地震反应分析，论文中主要考虑以下几点： 1)考虑了竖向地震动的影响； 2)利用改进Penzien模型建立桩-土相互作用弹簧、土层间剪切弹簧； 3)采用大质量模型进行多点激励与行波效应的分析： 4)根据《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)计算塑性铰长度； 5)采用Hognested模型建立混凝土非线性应力-应变关系； 6)采用Mander模型建立塑性铰区约束混凝土的应-应变关系。 通过以上各模型间地震反应的对比分析，得出以下主要结论： 1)竖向地震动对桥墩的轴力、主梁的顺桥向内力响应有一定影响； 2)横桥向地震作用下结构反应相比顺桥向地震作用下复杂； 3)顺桥向激励矮墩内力响应大，横桥向激励高墩内力响应大； 4)结构顺桥向的可承载力相对薄弱，而顺桥向地震作用下低墩遭受大的内力，故低墩遭受破坏的概率要大于高墩； 5)横系梁对桥墩轴力和顺桥向弯矩有影响，在横系梁处值出现突变； 6)考虑桩-土相互作用，桥梁结构基频减小： 7)考虑桩-土相互作用，高墩墩底截面的各项内力响应都减小，墩顶截面位移响应增大；主梁横桥向响应分量增大，轴力当横桥向激励时减小，顺桥向激励时则增大； 8)考虑桩-土相互作用，采用无约束混凝土非线性应力-应变关系，在墩底及墩顶截面表现出了复杂的变化规律，无规律可循；桥墩横桥向位移峰值增大，高墩增幅大于矮墩； 9)考虑桩-土相互作用，桥墩塑性铰区采用约束混凝土应力-应变关系，顺桥向激励时，各桥墩墩底及墩顶轴力、顺桥向响应值都有一定程度的增大，墩顶位移增大；横桥向激励时，各桥墩的内力响应分量及位移变化微小；表明，考虑箍筋约束作用后，顺桥向激励时，提高了桥墩的延性，而横桥向激励时，不能提高桥墩的延性； 10)多点激励时，顺桥向的各项内力以及位移响应的峰值都有很大程度的增加，主梁的各项内力响应峰值增大很多； 11)行波效应对高矮墩的影响不同； 12)考虑行波效应，采用混凝土的非线性应力-应变关系，桥墩的轴力及顺桥向内力、位移响应增大，矮墩增大的比率大于高墩；主梁的轴力及顺桥向弯矩增大，在支承处的顺桥向剪力增大； 13)考虑行波效应，桥墩塑性铰区采用约束混凝土的非线性应力-应变关系后，桥墩的轴力及顺桥向内力、位移响应增大，矮墩增大的比率大于高墩；主梁的轴力及顺桥向弯矩增大，在支承处的顺桥向剪力增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1震害及启示

1.2高墩大跨径连续刚构桥地震反应研究现状及本课题的提出

1.2.1高墩大跨径连续刚构桥的特点

1.2.2高墩大跨径连续刚构桥的震害特点

1.2.3高墩大跨径连续刚构桥地震反应分析的目的和意义

1.2.4高墩大跨径连续刚构桥地震反应分析现状

1.2.5课题的提出

1.3本文的主要研究内容及工作安排

第二章桥梁抗震理论基础

2.1桥梁抗震设计方法简介

2.2动力时程分析方法

2.2.1动力时程分析法简介

2.2.2有限元法及分析步骤

2.2.3动力方程及计算方法

2.2.4非线性动力方程及计算方法

2.2.5动力方程中阻尼的计算

2.3地震动输入方法

2.3.1地震动的选取

2.3.2关于地震动空间变化性

2.3.3关于地震激励输入的方向及组合模式

2.4本章小结

第三章 弹塑性地震反应参数确定

3.1结构弹塑性本构模型

3.1.1引言

3.1.2弹塑性理论

3.1.3弹塑性本构模型

3.1.4结构弹塑性本构模型

3.2无约束混凝土应力-应变关系的确定

3.3约束混凝土的应力-应变关系的确定

3.3.1箍筋的约束作用

3.3.2约束混凝土的应力-应变关系

3.3.3 Mander约束混凝土应力-应变曲线

3.4混凝土动力性能

3.5延性桥墩塑性铰区长度的确定

3.6本章小结

第四章考虑桩-土相互作用的弹塑性地震反应分析理论

4.1土-结构相互作用问题的存在

4.2土-结构动力相互作用研究的发展和现状

4.2.1土-结构动力相互作用的研究阶段

4.2.2土-结构动力相互作用的研究方法

4.3桩-土-结构动力相互作用理论分析模型

4.4桩-土相互作用参数的确定

4.4.1改进Penzien模型

4.4.2土层自振频率的计算

4.4.3桩-土的水平相互作用弹簧刚度与阻尼

4.4.4土层层间弹簧刚度与阻尼

4.5本章小结

第五章 考虑多点激励与行波效应的弹塑性地震反应分析理论

5.1概述

5.2多点激励问题的分析方法与研究现状

5.2.1动力时程分析法

5.2.2随机振动分析方法

5.2.3工程实用反应谱法

5.3大质量法与拟静力位移概念相结合理论

5.4本章小结

第六章洛河特大桥弹塑性地震反应分析

6.1计算工程实例概况

6.1.1洛河特大桥工程概况

6.1.2桥位场地地质条件简介

6.1.3桥址区地震地质灾害评价

6.2弹塑性地震反应相关参数的确定

6.2.1无约束混凝土应力-应变关系的确定

6.2.2塑性铰区约束混凝土应力-应变曲线计算

6.2.3混凝土动力性能

6.2.4延性桥墩塑性铰区长度的确定

6.3考虑桩-土相互作用的有限元计算模型

6.3.1桩-土相互作用参数的确定

6.3.2有限元模型

6.3.3地震动的选择

6.3.4自振频率及动力方程阻尼计算

6.3.5计算结果与分析

6.3.6分析与讨论

6.4考虑多点激励与行波效应的有限元模型

6.4.1有限元模型

6.4.2地震动的选择

6.4.3计算结果与分析

6.4.4分析与讨论

6.5本章小结

第七章结论与建议

7.1完成的主要工作

7.2主要结论

7.3建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢