摩擦摆支座的隔震桥梁抗震性能研究

摘要

摩擦摆支座具有较好的综合隔震性能，目前已在桥梁的维修加固和新建工程中得到了广泛的应用。但目前还没有制定出摩擦摆支座的国家标准，且在国内摩擦摆支座多用于建筑结构而较少应用于桥梁结构，对摩擦摆隔震桥梁的理论分析和参数优化设计的研究还很少，且存在一些不足和需要改进的问题。本文对摩擦摆支座力学模型等效线性化优化分析、隔震桥梁多目标参数优化以及基于能量法的摩擦摆支座参数优化设计方法等问题进行深入研究。同时通过摩擦摆支座水平力学性能进行试验研究，为摩擦摆支座等效线性化力学模型的优化分析提供试验依据。论文的主要研究内容有:
　　(1)建立摩擦摆支座隔震梁桥的非线性动力学模型，利用有限元SAP2000软件研究地震激励动力学特性（加速度幅值、频谱特征）、摩擦摆支座滑道半径及摩擦因数对摩擦摆支座滑动位移的影响，通过拟合对摩擦摆支座滑动位移的计算方法进行优化分析，并制定我国不同抗震设防区域摩擦摆支座设计位移值的选取方法。对摩擦摆连续梁桥动力学平衡方程进行理论求解。以高速铁路桥梁为研究对象，分别以El Centro波、Taft波、Northridge波等地震激励作为输入波，采用有限元仿真和理论求解方法对隔震桥梁的地震响应进行分析，研究滑动位移对隔震桥梁主梁加速度幅值、主梁位移幅值及桥墩底部剪力幅值计算精度的影响。
　　(2)建立摩擦摆支座有限元模型并进行非线性静力学分析，利用ABAQUS研究混凝土桥墩支承对摩擦摆支座应力及变形分布的影响，分析滑动位移对摩擦摆支座应力幅值及应力分布的影响，并对结构强度安全系数较低的组成构件提出改进方案。利用有限元仿真研究了地震波维数对隔震桥梁地震响应的影响。研究不同地震激励和地震波加速度幅值时摩擦摆支座的隔震性能，并以控制主梁位移和加速度幅值、桥墩底部剪力幅值为目标，采用多目标参数优化方法对摩擦摆支座滑道半径及摩擦因数进行优化分析。
　　(3)建立摩擦摆隔震桥梁能量平衡方程，并通过MATLAB编程研究隔震桥梁能量响应时程曲线求解方法，将理论方法与有限元非线性动力学仿真得到的能量响应曲线进行对比分析，研究理论分析得到的隔震桥梁能量响应曲线的计算精度。建立隔震桥梁和非隔震桥梁有限元模型，研究不同工况时摩擦摆支座的隔震性能，并分析地震动特性及摩擦摆支座主要参数对地震输入能量的影响。以控制隔震桥梁的结构响应能量幅值为目标，同时保持摩擦摆支座具有较高的耗能比，研究不同地震波输入时摩擦摆支座的滑道半径及摩擦因数最优值范围。
　　(4)对摩擦摆支座水平力学性能进行试验研究，分析摩擦摆支座的滞回曲线特征以及滑动位移值对摩擦摆支座初始刚度、等效刚度、等效阻尼比及振动周期等力学参数的影响，并将理论方法与试验研究得到的摩擦摆支座力学参数进行对比分析，为理论分析计算结果提供试验依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 减隔震装置研究现状

1．2．1 铅芯橡胶支座

1．2．2 摩擦摆支座

1．3 桥梁减隔震技术研究现状

1．3．1 减隔震技术发展历程

1．3．2 隔震桥梁原理及研究现状

1．4 基于能量法的结构抗震设计

1．5 本文研究内容及技术路线

第2章 摩擦摆支座等效线性化优化研究

2．1 引言

2．2 摩擦摆支座力学模型

2．2．1 摩擦摆支座结构

2．2．2 摩擦摆支座等效线性化研究

2．3 摩擦摆隔震桥梁等效线性化模型研究

2．3．1 力学模型

2．3．2 算例

2．3．3 输入地震波选取

2．4 摩擦摆隔震桥梁有限元分析

2．4．1 有限元模型

2．4．2 模态分析

2．4．3 非线性动力学时程分析

2．4．4 主梁跨数对地震响应幅值的影晌

2．4．5 地震波周期对滑动位移的影响

2．4．6 地震波加速度幅值对滑动位移的影响

2．4．7 滑道半径对滑动位移的影响

2．5 滑动位移最小二乘法拟合研究

2．6 主梁位移幅值优化结果分析

2．6．1 不同输入地震波

2．6．2 摩擦摆支座滑道半径

2．6．3 地震波加速度幅值

2．7 主梁加速度幅值优化结果分析

2．8 桥墩墩底剪力优化结果分析

2．9 本章小结

第3章 摩擦摆支座结构强度及参数优化分析

3．1 引言

3．2 摩擦摆支座结构强度分析

3．2．1 有限元模型

3．2．2 边界条件及载荷施加

3．2．3 桥墩对摩擦摆支座应力分布的影响

3．2．4 滑动位移对应力分布的影响

3．3 隔震率分析

3．3．1 地震激励对隔震率的影响

3．3．2 地震加速度幅值对隔震率的影响

3．4 地震维数对隔震桥梁地震响应的影响

3．5 摩擦摆支座滑道半径及摩擦因数优化分析

3．5．1 主梁位移幅值优化

3．5．2 主梁加速度幅值优化

3．5．3 桥墩底部剪力幅值优化

3．5．4 优化结果分析

3．6 本章小结

第4章 摩擦摆连续梁桥能量响应研究

4．1 引言

4．2 摩擦摆连续梁桥能量响应

4．2．1 双自由度系统能量平衡方程

4．2．2 能量响应时程曲线求解

4．3 隔震桥梁能量响应有限元分析

4．3．1 有限元模型

4．3．2 主梁跨数对能量响应的影响

4．3．3 隔震桥梁能量响应曲线分析

4．3．4 隔震与非隔震桥梁能量响应分析

4．4 基于能量法的摩擦摆支座参数优化

4．4．1 El Centro地震波

4．4．2 Taft地震波

4．4．3 Northridge地震波

4．4．4 滑道半径及摩擦因数优化结果

4．5 本章小结

第5章 摩擦摆支座水平力学性能试验

5．1 引言

5．2 试验加载装置

5．3 试验用摩擦摆支座

5．4 摩擦摆支座力学性能试验

5．4．1 试验结果

5．4．2 理论与试验结果对比分析

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果