基于耐震时程法的冲刷环境下桥梁结构地震易损性分析

摘要

冲刷效应将造成桥梁基础周围土体被冲蚀，降低土体对桥梁基础的侧向约束作用及桥梁结构刚度，进而影响桥梁结构的动力学特性及地震易损性。我国目前正在大力推进西部山区路网建设，其中桥梁占比较高，而我国西部山区处于我国强震区，区域内河流水力梯度较大，冲刷作用十分显著，故研究冲刷对桥梁地震易损性的影响十分必要。同时，随着我国“海洋强国”战略的进一步深入，我国跨海桥梁建设正处于高峰期，其桥址区往往呈现水深、流急的特点，桥梁基础冲刷问题同样十分突出，因此冲刷对跨海桥梁抗震的影响同样值得深入研究。本文首先阐述了基于耐震时程法的地震易损性分析方法，以常见的两跨连续梁桥和某跨海斜拉桥为研究对象，采用基于耐震时程法的地震易损性分析方法开展了冲刷环境下桥梁结构地震易损性分析，研究了不同冲刷深度下桥梁结构关键构件的地震易损性。论文得到的主要结论有：　　(1)研究了基于耐震时程法的地震易损性分析框架，编制了相关计算程序，以我国抗震规范反应谱为目标谱，合成了持续时间分别为25s和40s的两组耐震时程曲线；采用OpenSees软件建立未冲刷状态下算例桥梁的有限元模型，分别采用增量动力分析方法和耐震时程法计算桥梁结构的地震响应，并将两种方法的计算结果作对比，验证了耐震时程法用于桥梁地震响应计算的适用性。研究结果表明：耐震时程法计算结果平均值与增量动力分析法结果的平均值较为接近，但耐震时程法大大降低了地震易损性分析所需的时程分析次数，提高了计算效率；　　(2)对于算例两跨连续梁桥，考虑单桩基础、双柱基础和群桩基础三种不同的基础形式，通过p-y曲线法考虑桩土相互作用，采用删除土弹簧的方式模拟冲刷深度，利用耐震时程法计算不同冲刷深度下桥墩、桩基础的横桥向、纵桥向地震易损性曲线，讨论了冲刷深度、桥梁下部结构设计对桥墩、桩基础地震易损性的影响。研究结果表明，冲刷环境下三种桥梁桩基础的最不利地震响应不一定出现在最大冲刷深度处，对于群桩基础桥梁，随着冲刷深度增加，桥梁结构在地震作用下的损伤位置可能由桥墩向桩基础转移；　　(3)对于算例跨海斜拉桥，采用与两跨连续梁桥相同的方法模拟桩土相互作用及冲刷深度，分别通过Morision方程和线性势流理论计算桥梁桩基础及承台的动水附加质量，利用耐震时程法计算不同冲刷深度下桥塔、桥塔桩基础、辅助墩、边墩及支座的横桥向、纵桥向地震易损性曲线，讨论了冲刷深度对不同桥梁构件地震易损性的影响。研究结果表明，跨海斜拉桥桥塔的地震易损性随冲刷深度的增加呈现降低的趋势，冲刷可能增大桥塔桩基础、辅助墩、边墩及支座的地震易损性，但桥梁构件的最不利地震响应均不一定出现在最大冲刷深度处，设计时应引起重视。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冲刷环境下桥梁结构抗震性能研究现状

1.2.2 耐震时程法研究现状

1.3 本文的研究内容和技术路线

第 2 章基于耐震时程法的地震易损性分析方法

2.1 地震易损性分析方法概述

2.2 理论型地震易损性分析基本原理及步骤

2.3 增量动力分析方法

2.4 地震动强度的选择

2.5 结构损伤指标及损伤状态的确定

2.6 耐震时程法

2.6.1 耐震时程法基本原理

2.6.2 基于我国桥梁抗震设计规范的耐震时程曲线

2.6.3 基于耐震时程法的地震易损性分析框架

2.6.4 耐震时程法适用性验证方法

2.7 本章小结

第 3 章冲刷环境下高速公路典型桥梁地震易损性分析

3.1 桥梁概况及工程背景

3.2 连续梁桥有限元模型

3.2.1 主梁模拟

3.2.2 桥墩及桩基础模拟

3.2.3 支座模拟

3.2.4 桩土相互作用及冲刷深度模拟

3.3 耐震时程法适用性验证

3.4 冲刷深度对桥梁地震易损性的影响

3.4.1 冲刷深度对横桥向地震易损性的影响

3.4.2 冲刷深度对纵桥向地震易损性的影响

3.5 冲刷深度对桥梁结构地震易损性的影响规律分析

3.5.1 冲刷深度对桥梁桩基础承载力的影响

3.5.2 冲刷深度对桥梁动力特性的影响

3.5.3 冲刷深度对桥梁地震易损性的影响

3.6 冲刷环境下下部结构设计对桥梁地震易损性的影响

3.6.1 冲刷环境下不同基础类型的选择

3.6.2 基础配筋率对冲刷环境下桥梁地震易损性的影响

3.7 本章小结

第 4 章冲刷环境下跨海斜拉桥地震易损性分析

4.1 桥梁概况及工程背景

4.2 跨海斜拉桥有限元模型

4.2.1 主梁及斜拉索模拟

4.2.2 桥塔及桥墩模拟

4.2.3 支座模拟

4.2.4 桩土相互作用及冲刷深度模拟

4.2.5 动水附加质量的计算

4.3 冲刷深度对跨海斜拉桥动力特性的影响

4.4 耐震时程法适用性验证

4.5 地震动强度选择

4.6 冲刷深度对跨海斜拉桥地震易损性的影响

4.6.1 冲刷深度对横桥向地震易损性的影响

4.6.2 冲刷深度对纵桥向地震易损性的影响

4.7 本章小结

结论与展望

本文主要结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及科研成果