考虑残余位移和土-结构相互作用的桥梁结构基于性能的抗震设计及评估

摘要

在强震作用下，桥梁会因弹塑性变形而产生较大的残余位移，这就使得结构即使未发生倒塌破坏，也会因较大的残余位移而不能使用或修复。而土-结构相互作用的问题，由于地基土参数的不确定性和基础形式的多样性，一直以来都是桥梁抗震研究中的难点。因此，本文针对目前我国桥梁结构的抗震设计和性能评估方法中存在的不足，在总结和吸取以往国内外学者研究成果的基础上，以多自由度全桥结构和等效单墩模型为对象，就考虑残余位移影响的桥梁结构基于性能的抗震设计方法、考虑土-结构相互作用的桥梁结构抗震性能评估方法进行了系统的研究。主要研究工作如下：
　　 1.研究了土-结构相互作用对高柔桥墩弹塑性地震响应的影响，并对弹塑性反应谱进行了参数影响研究，从而建立了与《铁路工程抗震设计规范》相符的弹塑性反应谱。(1)建立了考虑地基柔性效应的高柔桥墩分析模型，研究了土-结构相互作用对高柔桥墩弹塑性地震响应的影响；(2)依据我国现行的《铁路工程抗震设计规范》，选取了四类场地的320条强震记录，系统地研究了地震动特性及恢复力模型动力参数对弹塑性反应谱的影响，进而为弹塑性反应谱的建立提供了指导依据；(3)建立了与《铁路工程抗震设计规范》相符的弹塑性加速度谱、弹塑性位移谱和残余位移谱，进而为考虑残余位移影响的桥梁结构基于性能的抗震设计方法的提供了设计谱依据。
　　 2.系统地研究了单自由度系统和多自由度桥梁结构的地震能量响应及其分配规律，从而建立了与《铁路工程抗震设计规范》相符的能量反应谱。(1)利用所选取的四类场地320条强震记录，采用非线性能量反应时程分析法，系统地研究了地震动特性及恢复力模型动力参数对单自由度系统地震能量响应及其分配规律的影响，为能量反应谱的建立提供了指导依据；(2)对考虑土-结构相互作用的客运专线双柱式桥墩进行了地震能量响应分析，研究了多自由度桥梁结构的地震能量响应及其分配规律；(3)建立了与我国现行的《铁路工程抗震设计规范》相符的地震总输入能量谱、滞回耗能谱等，进而为正规化累积耗能参数的研究以及桥墩结构基于能量的抗震验算方法提供了相应的谱依据。
　　 3.提出了考虑残余位移影响的桥梁结构基于性能的抗震设计方法，并改进了桥墩结构基于能量的抗震验算方法。(1)基于改进的Park-Ang双参数地震损伤评估模型，统计回归了四类场地的正规化累积耗能参数，得到了基于损伤性能指标的等效位移延性系数；在此基础上，以损伤指标作为性能指标，将等效位移延性系数、弹塑性位移谱和残余位移谱相结合，提出了考虑残余位移影响的桥梁结构基于性能的抗震设计方法，给出了具体的算例，并采用非线性时程分析法验证了本文所提出的抗震设计方法的可行性；(2)利用所建立的地震总输入能量谱和滞回耗能谱，对桥墩结构基于能量的抗震验算方法进行了改进，并将它应用于桥墩的设计实例中。
　　 4.针对我国的桥梁结构，提出了改进的简化能力谱法以及能够考虑土-结构相互作用的脆弱性分析方法。(1)建立了与我国现行的《铁路工程抗震设计规范》相符的弹塑性需求谱和强度折减系数谱，并结合ATC-40和FEMA356能力谱法的优点，提出了改进的简化能力谱法，并用客运专线双柱式桥墩工程实例检验了改进方法的计算精度；(2)以客运专线双柱式桥墩为研究对象，验证了将FEMA440考虑土-结构相互作用的能力谱法应用于我国桥梁工程抗震性能评估的可行性。(3)将FEMA440中考虑土-结构相互作用的能力谱法与结构脆弱性分析相结合，提出了综合考虑地基柔性效应、运动学效应和基础阻尼效应的桥梁结构脆弱性分析方法，并以此建立了城市高架桥的脆弱性曲线，进而与不考虑土-结构相互作用所得的计算结果进行了对比，验证了本文方法的优越性。
　　 5.改进了ATC-40和FEMA356中考虑多振型效应的非线性静力分析方法。在此基础上，将改进的非线性静力分析方法与结构脆弱性分析相结合，应用于考虑土-结构相互作用的高墩大跨桥梁结构的抗震性能评估中，研究了多振型效应对高墩大跨桥梁结构脆弱性分析的影响。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究的发展趋势

1.2.1 桥梁抗震设计方法的发展

1.2.2 桥梁抗震性能评估方法的发展

1.3 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 桥梁结构弹塑性地震响应及其弹塑性反应谱的研究

2.1 引言

2.2 考虑土-结构相互作用的高柔桥墩弹塑性地震响应分析

2.2.1 工程概况

2.2.2 有限元模型的建立

2.2.3 地震波的选取

2.2.4 计算结果分析

2.3 弹塑性反应谱的参数影响研究

2.3.1 基本理论

2.3.2 地震动记录的选取

2.3.3 地震动特性的影响

2.3.4 恢复力模型动力参数的影响

2.4 与《铁路工程抗震设计规范》相符的弹塑性反应谱

2.4.1 弹塑性加速度谱

2.4.2 弹塑性位移谱及弹塑性位移比谱

2.4.3 残余位移谱

2.5 本章小结

参考文献

第三章 桥梁结构地震能量响应及其能量反应谱的研究

3.1 引言

3.2 单自由度系统的地震能量响应分析

3.2.1 单自由度系统的地震能量方程

3.2.2 地震动特性的影响

3.2.3 恢复力模型动力参数的影响

3.3 多自由度桥梁结构的地震能量响应分析

3.3.1 多自由度桥梁结构的地震能量方程

3.3.2 客运专线双柱式桥墩的地震能量响应分析

3.4 与《铁路工程抗震设计规范》相符的能量反应谱

3.4.1 基本理论

3.4.2 地震能量反应谱的建立

3.5 本章小结

参考文献

第四章 考虑残余位移影响的桥梁基于性能的抗震设计及基于能量的抗震验算

4.1 引言

4.2 桥梁结构的损伤性能评估模型

4.2.1 Park-Ang双参数地震损伤评估模型及其应用

4.2.2 改进的地震损伤评估模型

4.2.3 正规化累积耗能参数的研究

4.2.4 基于损伤性能指标的等效位移延性系数

4.3 桥梁结构考虑残余位移影响的性能目标的确定

4.4 考虑残余位移影响的钢筋混凝土桥墩基于性能的抗震设计

4.4.1 钢筋混凝土桥墩的抗震设计步骤

4.4.2 桥墩设计实例

4.4.3 非线性时程分析的检验

4.5 考虑残余位移影响的连续梁桥基于性能的抗震设计

4.6 改进的桥墩结构基于能量的抗震验算方法

4.6.1 概述

4.6.2 桥墩结构地震能量输入需求的确定

4.6.3 桥墩结构滞回变形耗能能力的确定

4.6.4 基于能量指标的抗震验算

4.6.5 桥墩设计实例基于能量的抗震检验

4.7 本章小结

参考文献

第五章 考虑土-结构相互作用的能力谱法在桥梁抗震性能评估中的应用

5.1 引言

5.2 能力谱方法的发展

5.3 改进的简化能力谱法

5.3.1 基于弹塑性反应谱的需求谱

5.3.2 强度折减系数谱的研究

5.3.3 改进的简化能力谱法的实施步骤

5.3.4 工程实例分析

5.4 考虑土-结构相互作用的能力谱法及其在桥梁结构中的应用

5.4.1 土-结构相互作用对能力谱法的影响

5.4.2 结构延性及性能点的求解

5.4.3 工程实例分析

5.5 多振型效应对考虑土-结构相互作用的高柔桥墩的影响

5.5.1 侧向荷载的加载模式

5.5.2 考虑多振型效应的非线性静力分析法

5.5.3 工程实例分析

5.6 本章小结

参考文献

第六章 考虑土-结构相互作用的桥梁结构脆弱性分析

6.1 引言

6.2 基于ATC-40或FEMA356能力谱法的脆弱性分析

6.2.1 脆弱性曲线参数的选择

6.2.2 残余位移界限的确定

6.2.3 Cr-R-T关系的确定

6.2.4 脆弱性曲线的建立

6.2.5 工程实例分析

6.3 基于考虑土-结构相互作用能力谱法的脆弱性分析

6.3.1 考虑土-结构相互作用的脆弱性曲线的建立步骤

6.3.2 工程实例对比分析

6.4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 本文主要工作及研究结论

7.2 需要进一步研究的内容

附录 四类场地320条强震记录

博士期间的科研和发表论文情况

学位论文数据集