考虑支座摩擦滑移及结构碰撞的非规则桥梁抗震性能研究

摘要

非规则桥梁作为桥梁结构跨越复杂地形时的主要选型方案，在我国已被广泛建造。该类桥梁由于其线形和墩高的非规则性，致使其在地震作用下内力耦合效应显著，结构灾变机理复杂。与北岭地震、阪神地震相比，汶川地震中桥梁震害主要表现为主梁移位、伸缩缝破坏、挡块破坏等，而桥墩仅出现了一些轻微的开裂，分析其原因主要是因为板式橡胶支座的摩擦滑移减小了地震力向桥墩的传递。因此，系统地研究支座摩擦滑移及结构碰撞对非规则桥梁抗震性能的影响显得尤为重要。本文以理论研究为基础，地震模拟振动台试验为直接手段，结合数值分析方法，研究地震作用下考虑支座摩擦滑移、结构碰撞的非规则桥梁的抗震性能。本文主要研究内容和成果如下： （1）对抗震和隔震非规则曲线桥梁进行了地震模拟振动台对比试验及有限元分析，研究了两种模型的裂缝发展规律及损伤机理。通过对结构测点的特征参数进行分析，探讨两种结构的自振频率及阻尼比随地震烈度的变化关系。加速度、应变试验结果表明隔震桥梁隔震效果良好；梁体、墩顶位移试验结果表明非规则隔震曲线桥梁必须严格控制结构的径、切向位移，严防落梁震害发生。 （2）以非规则曲线桥梁振动台试验中所选的原型桥梁为研究对象，建立考虑支座摩擦滑移的空间耦联模型，研究支座刚度及支座摩擦系数对其地震响应的影响。结果表明，支座滑动可以明显消耗地震能量，降低墩底弯矩，有效避免桥墩墩底塑性铰的形成；支座摩擦系数和初始刚度的选择对非规则曲线桥梁加速度减震率及梁体位移影响较大，应根据参数最优匹配的方法选取其最优组合。 （3）提出非规则曲线桥梁漂浮抗震体系的基本概念，建立漂浮抗震体系的基本力学模型，探讨了该体系的工作机理及运用该体系设计的非规则曲线桥梁的性能破坏模式。通过对振动台试验中墩顶及梁顶加速度响应结果进行分析，证明该体系具有良好的抗震性能，可用于高烈度抗震地区桥梁的抗震设计。 （4）对非规则人字形桥梁进行了多维激励的地震模拟振动台试验及有限元分析，研究地震波频谱特性及输入维度对结构动力响应及灾变规律的影响。结果表明，计算人字形桥梁墩顶加速度响应时，仅沿分支直梁方向输入为其最不利地震输入方向；邻梁相对位移、碰撞力随地震波输入维度的增加而增加；计算墩底应变响应时，对其进行双向输入即可满足要求；地震波频带分布较宽且地震波幅值在各阶段比较接近时，将会导致结构的地震响应增大。 （5）以非规则人字形桥梁振动台试验中的原型桥梁为研究对象，建立其空间分析模型，研究综合考虑支座摩擦滑移、结构碰撞对非规则人字形桥梁地震响应的影响。结果表明，仅考虑结构伸缩缝处的碰撞作用时，可使桥墩墩顶位移及内力减小，但梁体会产生较大的加速度脉冲效应；综合考虑支座摩擦滑移和结构伸缩缝处的碰撞作用时，可使固定墩墩顶位移和邻梁相对位移峰值降低，梁体加速度脉冲效应可能增大也可能减小；纵向地震波作用下，非规则人字形桥梁不仅存在顺桥向的碰撞，横桥向的碰撞响应也不容忽视；结构计算模型的选取对结构伸缩缝处碰撞响应结果有较大的影响。 （6）基于4组变参数的结构多维激励地震模拟振动台碰撞试验，研究地震烈度和维度对相邻结构碰撞力的影响。以试验结果为基础，将4种碰撞单元应用于碰撞过程中碰撞力的数值模拟，探讨了不同碰撞单元的适用范围和优缺点。结合振动台试验以及数值计算方法，研究碰撞刚度、桥墩高度、碰撞间隙、邻梁质量比，恢复系数等参数对桥梁结构碰撞响应的影响及规律。 （7）基于结构动力学基本原理，建立非规则多跨简支混凝土桥梁的多自由度动力简化模型，由拉格朗日方程推导出简化力学模型的动力方程。结合龙格-库塔方法，采用自编程序分析行波激励下非规则桥梁综合考虑支座摩擦滑移、结构碰撞等非线性因素作用时的抗震性能。

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