高速铁路钢管混凝土拱桥抗震性能分析及地震经济风险评估

摘要

近年来，钢管混凝土拱桥因其良好的力学性能、较好的经济性和较短的建设周期等优点在我国高速铁路桥梁工程得到了快速的发展和应用。以宝兰客专线武威路双洞子钢管混凝土系杆拱桥为工程背景，深入研究了钢管混凝土拱桥的非线性地震响应特性，并结合IDA分析法，对该桥进行了地震易损性分析和地震经济风险评估。
　　本文以一高速铁路铁路钢管混凝土系杆拱桥的抗震性能与易损性为主线，主要研究工作包括以下几方面:
　　(1)通过查阅大量文献和资料，详细阐述了世界范围内关于桥梁结构抗震设计的发展历程和抗震性能研究现状，介绍了地震易损性分析在桥梁工程领域的应用，并对钢管混凝土拱桥的抗震性能的发展现状进行了概括，对钢管混凝土拱桥在铁路上的应用情况进行了总结。
　　(2)以实际工程为背景，运用Midas/Civil有限元软件建立了高速铁路线上一钢管混凝土系杆拱桥空间弹塑性有限元模型，通过等比例缩尺的钢管混凝土轴心受压试验，得到了与该桥拱肋材料、几何特性相同的钢管混凝土本构关系，用Midas/FEA软件模拟并校核试验结果的正确性，将该本构关系输入拱肋截面，并对全桥进行自振特性分析。
　　(3)运用Pushover、MPA两种静力弹塑性分析方法，对钢管混凝土拱肋进行横桥向地震响应对比分析，并通过SIMQKE软件拟合的人工地震波进行了IDA分析，基于IDA计算结果验证了Pushover和MPA法在该类桥梁抗震分析中的适用性和准确性。
　　(4)根据桥址处场地类别和结构自振周期等因素，从美国PEER地震数据库中选取了一系列地震记录。基于增量动力分析法，建立了在横桥向和顺桥向地震作用下的IDA曲线，详细分析了不同关键截面处的抗震性能和破坏过程。
　　(5)对钢管混凝土拱肋截面进行了弯矩-曲率分析，选取曲率延性比作为拱肋损伤评价指标，定义了拱肋的不同损伤状态。运用增量动力分析方法，研究了该桥横桥向的地震响应，依据传统可靠性理论和失效概率上下限计算方法，分析评估了该桥拱肋的抗震性能。
　　(6)将年预期损失作为地震经济风险评价指标，对该高速铁路钢管混凝土系杆拱桥进行了地震经济风险的量化分析，得出了桥梁在地震作用下的总损失比率曲线，供相关决策者全面考量桥梁的地震经济风险，对桥梁抗震设计、震后桥梁的加固或新建做出合理决策。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 钢管混凝土拱桥国内外研究现状

1．2．1 钢管混凝土拱桥的发展与前景

1．2．2 钢管混凝土拱桥抗震性能亟待研究

1．3 国内外研究动态与现状

1．3．1 钢管混凝土拱桥抗震性能的研究现状

1．3．2 静、动力弹塑性的研究现状

1．3．3 桥梁结构地震易损性研究现状

1．4 本文研究的主要研究内容

2 桥梁结构抗震分析方法理论基础

2．1 引言

2．2 传统抗震分析方法概述

2．2．1 静力理论

2．2．2 反应谱理论

2．2．3 动力时程分析法

2．3 模态Pushover分析(MPA)方法理论基础

2．3．1 静力弹塑性分析(Pushover)方法

2．3．2 模态Pushover(MPA)分析方法

2．3．3 基本原理和计算公式

2．3．4 计算步骤

2．4 IDA方法理论基础

2．4．1 单条地震记录的IDA分析

2．4．2 多条地震记录的IDA分析

2．5 基于IDA的结构易损性分析

2．6 本章小结

3 钢管混凝土短柱本构试验与系杆拱桥有限元模型建立

3．1 钢管混凝土短柱本构关系试验

3．1．1 试验介绍

3．1．2 试验结果分析

3．1．3 试验结论

3．2 钢管混凝土系杆拱桥有限元模型

3．2．1 工程背景介绍

3．2．2 有限元模型

3．3 拱桥自振特性分析

3．3．1 自振特性计算方法

3．3．2 拱桥自振特性计算

3．4 本章小结

4 基于静、动力弹塑性分析的钢管混凝土拱肋整体抗震性能评估

4．1 Pushover分析

4．1．1 Pushover方法计算步骤

4．1．2 结构抗震性能评估

4．1．3 Pushover铰设置

4．1．4 拱肋Pushover分析结果

4．2 IDA分析

4．3 MPA分析

4．3．1 模态分析

4．3．2 拱肋MPA分析结果及与Pushover、IDA结果对比

4．4 本章小结

5 基于IDA的钢管混凝土拱桥地震易损性分析

5．1 引言

5．2 IDA分析

5．2．1 地震波的选取

5．2．2 拱肋横桥向IDA曲线

5．2．3 拱肋顺桥向地震响应分析

5．3 基于IDA的易损性曲线建立方法

5．3．1 截面弯矩-曲率曲线计算

5．3．2 结构地震易损性曲线建立

5．4 钢管混凝土拱桥拱肋地震易损性分析

5．4．1 拱脚地震易损性曲线

5．4．2 1／4拱肋地震易损性曲线

5．4．3 拱顶地震易损性曲线

5．5 拱桥各关键截面地震易损性曲线对比分析

5．6 本章小结

6 地震风险分析

6．1 引言

6．2 地震经济风险评估模型

6．3 地震经济风险分析

6．3．1 损失比指定

6．3．2 存活曲线

6．4 结构主要不确定参数对桥梁地震经济风险的影响

6．4．1 钢管混凝土拱肋强度

6．4．2 梁体容重

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果