山区梁式桥灾害接续作用机理研究

摘要

我国西南地区地震多发，西南山区自然条件更为复杂，雨季山洪频发，从全生命周期来看，山区桥梁极有可能遭受多种灾害的作用，其中地震和洪水是对桥梁产生威胁的典型自然灾害。梁式桥在西南山区桥梁中占比较大，其可能在地震后再次遭受洪水的接续作用，地震洪水接续作用会对梁式桥产生更为严重的破坏。 本文针对山区梁式桥，通过有限元数值模拟分析，研究桥梁在仅地震作用、仅洪水作用、震后再次受到洪水接续作用时的反应和损毁状态差异。主要研究内容如下： (1)建立了某4跨山区梁式桥全桥有限元模型，重点考虑了桥墩和支座的非线性建模，采用Morison方程法考虑了墩-水耦合作用；基于位移延性破坏指标对梁式桥支座、桥墩以及整桥的损伤进行了量化，将桥梁损伤指标分为从基本完好到倒塌共五个阶段；对该桥进行非线性地震反应时程分析，随桥墩淹没深度的增加，桥梁自振频率降低，地震动作用下墩顶位移和支座位移反应增大，整桥在E1地震作用下基本完好，在E2地震作用下进入轻微损伤阶段； (2)通过大量阅读文献和已有研究成果，确定了利用等效静力模拟洪水荷载的方法，分析了该4跨梁式桥在仅洪水作用下考虑不同洪水流速和洪峰作用位置时的反应，仅洪水作用下该桥处于基本完好或轻微损伤阶段； (3)分析了该4跨梁式桥在地震后再次遭到洪水接续作用的反应和损毁状态，E1地震作用后接续洪水作用时，桥梁仍处于基本完好或轻微损伤阶段，但E2地震作用后再次遭到洪水作用时，桥梁反应随洪水流速增加而迅速加剧，甚至在洪水流速较大且洪峰作用于主梁、桥墩时发生倒塌； 因此，山区梁式桥在受到地震洪水接续作用时，前期的地震作用会不同程度的增加桥梁接续遭受洪水时的反应和损伤，尤其是遭受E2地震作用及以上强震后，桥梁会存在不同程度的损伤，这会明显加重后续洪水接续作用时的桥梁反应和损毁程度，甚至发生倒塌。故而，在经历E2地震作用及其以上强度地震作用后，有必要对桥梁进行损伤评估，根据需要采取加固措施，否则桥梁可能会在接续洪水作用下发生倒塌。

目录

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1　绪论

1.1　研究背景及意义

1.2.1墩-水耦合研究现状

1.2.2损伤指标研究现状

1.2.3灾害接续作用研究现状

1.2.4洪灾水毁研究现状

1.3　本文研究内容

2　墩-水耦合作用理论及计算方法

2.1　流固耦合

2.1.1基本假定

2.1.2流固耦合基本方程

2.2.1 墩水耦合分析方法

2.2.2工程中墩-水耦合作用常用计算方法

2.3.1 Morison方程

2.3.2 基于Morison方程的墩水耦合模型

2.4　规范方法

2.5　本章小结

3　洪水作用力特点及其简化计算方法

3.1　前言

3.2　洪水作用力特点

3.3.1流速分布规律

3.3.2水平作用力推导

3.3.3竖向作用力推导

3.3.4规范方法

3.3.5分段计算方法

3.4　本章小结

4　山区梁式桥地震作用损伤分析

4.1　工程概况

4.2　有限元建模

4.3　地震动输入

4.4 动力特性分析

4.5　桥梁地震响应分析

4.5.1 Taft 地震动下桥梁响应

4.5.2 EL Centro 地震动下桥梁响应

4.5.3 人造地震动下桥梁响应

4.6震损分析

4.6.1桥墩损伤指标

4.6.2支座损伤指标

4.6.3整桥损伤指标

4.6.4 桥梁整桥及构件损伤判别

4.7 小结

5 地震洪水接续作用山区梁式桥损伤分析

5.1.1 地理及水系情况

5.1.2 气候和地质状况

5.2 地震洪水接续作用工况介绍

5.3 地震洪水作用模拟分析

5.3.1 仅洪水等效力荷载工况

5.3.2 Taft地震动作用后接续洪水荷载工况

5.3.3 EL Centro地震动作用后接续洪水荷载工况

5.3.4 人造地震动作用后接续洪水荷载工况

5.4 震损梁式桥抵御洪水能力评估

5.5 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果