库区深水桥梁地震动水效应与抗震韧性评价方法研究

摘要

随着我国交通建设事业的蓬勃发展，近年来涌现出众多跨越库区的深水桥梁。不同于陆上桥梁，地震作用下复杂的流固耦合作用与数额庞大的震后损伤检测、维修代价给库区深水桥梁的抗震设计与防灾减灾提出了一系列难题与挑战。尽管当前在深水桥梁抗震研究方面已取得了一些成果，但仍有不少科学问题亟待进一步研究。本文在充分梳理既有文献的基础上，运用理论推导、水下振动台试验与数值模拟等方法，围绕库区深水桥梁地震动水效应与抗震韧性评价的相关问题展开研究。主要的研究工作如下：　　(1)提出了基于流固耦合数值模拟的复杂截面桥墩动水附加质量通用计算方法，以常规的圆形、椭圆形，圆台形水下桥墩以及复杂的哑铃形桥墩为例，从多个角度对方法的准确性进行了验证。随后以此方法为基础，研究了变截面空心矩形桥墩动水附加质量的特征，提出了基于贝叶斯更新的矩形承台动水附加质量计算公式，并通过水下模态试验检验了公式的有效性。　　(2)针对典型的库区深水连续刚构桥开展了全桥水下振动台试验，结合数值模拟研究了水深对桥梁频域动力响应以及结构振动模态的影响规律。同时，讨论了上部结构对于桥墩动力响应的影响，分析了传统方法中将上部结构简化为墩顶集中质量的不足，由此提出了考虑上部结构贡献的改进桥墩模型，发展了确定建模关键参数的实用迭代方法。研究表明，水深变化会对桥梁的自振频率和振动模态产生显著影响，改进桥墩模型可以较好地反映上部结构对于深水连续刚构桥主墩的影响。　　(3)采用谱单元方法建立了不同地形下的桥址区数值模型，开展了大量的地震波传播模拟，利用生成的地震动时程进行库区深水桥梁的地震响应分析，探讨了峡谷地形对桥址区地震动空间分布和桥梁地震响应的影响规律。研究表明，峡谷地形会显著改变桥址区的地震动分布特征以及桥梁的地震响应，须在库区深水桥梁的抗震设计中加以关注与考虑。　　(4)通过考虑水下修复工作对于震后修复成本和恢复时间的放大效应，提出了针对库区深水桥梁的抗震韧性与经济损失评价方法。在此基础上，研究了近断层地震和考虑峡谷地形效应的地震作用下库区深水连续刚构桥的抗震韧性和经济损失。研究表明，具有脉冲效应的近断层地震动会显著增加库区深水桥梁的损伤概率，降低抗震韧性，增大经济损失，在抗震设计中值得重点关注；峡谷地形效应会明显改变库区深水桥梁的抗震韧性与经济损失，为合理评价桥梁的抗震性能应考虑峡谷地形效应。　　本文详细研究了库区深水桥梁抗震分析与性能评价中的关键问题，研究成果可为库区深水桥梁的抗震设计与防灾减灾措施的制定提供参考借鉴。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 库区深水桥梁地震动水效应研究现状

1.2.1 动水附加质量

1.2.2 试验研究

1.2.3 数值模拟

1.3 库区深水桥梁抗震性能评价研究现状

1.3.1 考虑峡谷地形效应的地震作用

1.3.2 近断层地震作用

1.3.3 抗震韧性与经济损失

1.4 存在的问题

1.5 本文研究内容和方法

第2章深水桥墩动水附加质量通用计算方法

2.1 基于流固耦合数值模拟的动水附加质量通用计算方法

2.2 常规截面桥墩

2.2.1 圆形桥墩

2.2.2 椭圆形桥墩

2.2.3 圆台形桥墩

2.3 复杂截面桥墩

2.3.1 哑铃形桥墩

2.3.2 变截面空心矩形桥墩

2.4 矩形承台动水附加质量计算公式

2.4.1 动水附加质量特征

2.4.2 基于贝叶斯更新的动水附加质量公式

2.4.3 计算公式的验证

2.5 本章小结

第3章库区深水连续刚构桥动力响应试验与数值研究

3.1 水下振动台试验设计

3.1.1 缩尺比设计

3.1.2 试验工况设置

3.2 结构动力响应分析

3.2.1 小波时频谱

3.2.2 频域响应函数

3.3 原型全桥的数值模拟

3.4 上部结构对桥墩动力响应的影响

3.4.1 忽略上部结构的传统桥墩模型

3.4.2 考虑上部结构贡献的改进桥墩模型与建模方法

3.5 本章小结

第4章考虑峡谷地形效应的库区深水桥梁地震响应

4.1 基于谱单元法的地震波传播模拟

4.1.1 谱单元方法简介

4.1.2 峡谷地形桥址区谱单元模型建立

4.1.3 地震波模拟的验证

4.2 地震动结果分析

4.2.1 地震波场

4.2.2 各测点地震动对比

4.3 峡谷地形深水桥梁地震响应分析

4.3.1 地震动位移输入方式改进

4.3.2 多向地震下的动水附加质量

4.3.3 库区深水桥梁非线性数值模型

4.3.4 地震响应对比

4.4 本章小结

第5章库区深水桥梁抗震韧性与经济损失评价

5.1 抗震韧性与经济损失评价框架

5.1.1 桥梁易损性分析

5.1.2 抗震韧性评价

5.1.3 经济损失评价

5.2 近断层地震作用下的抗震韧性与经济损失

5.2.1 桥梁数值模型与地震动选取

5.2.2 地震易损性

5.2.3 抗震韧性与经济损失

5.3 考虑峡谷地形效应的抗震韧性与经济损失

5.3.1 地震易损性

5.3.2 抗震韧性与经济损失

5.4 本章小结

第6章结论与展望

6.1 主要完成的工作

6.2 本文的主要结论

6.3 未来研究展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果