高墩大跨铁路桥梁抗震设计与减震控制研究

摘要

高墩大跨铁路桥梁在中国山区铁路有着广泛的应用,但位于地震区的这类桥梁的抗震设计问题尚未得到有效地解决,工程设计单位对该问题的解决有着强烈的技术需求.为此,该文开展了典型铁路高桥墩的比例模型拟静力试验、高墩大跨铁路桥梁抗震设计实用方法和减震控制等方面的研究,主要完成了下列工作:1.对典型铁路高桥墩—低配筋率空心墩,进行了比例模型的拟静力试验研究.重点探讨了纵筋配筋率、横向钢筋的布置及壁厚等参数的变化对空心墩强度和延性的影响.通过对桥墩恢复力特性的试验研究,提出了一个适合此类桥墩的单轴恢复力模型,该模型的骨架曲线为双线性,滞回规则同考虑刚度退化的Clough模型,并建议刚度退化指数取位移塑性率的倒数.2.提出了这类桥梁的抗震设计实用方法,设计内容主要包括方案设计阶段的抗震概念设计、小震下的强度验算、大震下的变形验算及必要时的减震控制措施四方面.并选择目前国内跨度最大、墩高最高的铁路混凝土梁式桥—内昆铁路花土坡特大桥为例,阐述了该文提出的实用设计方法面向工程的具体实施.3.针对各抗震验算环节,该文采用的分析方法有:(1)多振型反应谱法和线性时程分析法,用于求解在小震下结构的地震需求;(2)Pushover分析,用于求解大震下高桥墩的变形能力,为反映高桥墩在地震下的实际内力分布,该文利用基于对全桥分析的多振型反应谱法所求得的墩身实际剪力分布,来生成高桥墩的侧向力分布模式;(3)非线性时程分析法,用于求解在大震下结构的整体地震需求,该文利用基于试验提出的单轴恢复力模型,形成能考虑双轴弯曲耦合效应的基于随动强化规则的塑性双轴恢复力模型,并基于该模型编制了非线性时程分析程序.4.在理论和试验分析的基础上,对高桥墩的抗震构造提出了一些建议,主要包括:(1)建议纵筋最小配筋率取0.5﹪;(2)推导出抑制纵筋发生

目录

文摘

英文文摘

独创性声明

第一章绪论

1.1选题的背景和意义

1.1.1引言

1.1.2高墩大跨铁路桥梁及其抗震问题

1.1.3研究意义

1.2桥梁结构抗震问题的研究进展

1.2.1设防目标

1.2.2设计地震水平

1.2.3分析和设计方法

1.2.4振动控制技术在桥梁方面的研究及应用进展

1.2.5发展趋势—基于性能的桥梁抗震工程

1.3本文的研究目的和主要工作安排

本章参考文献

第二章低配筋率空心墩弹塑性行为的试验研究

2.1引言

2.2试验方案设计

2.2.1试验目的

2.2.2模型设计

2.2.3试验设备、设施及加载规则

2.3理论分析模型

2.3.1材料的本构关系

2.3.2截面的弯矩—曲率分析

2.3.3荷载—位移关系

2.3.4单轴恢复力模型

2.4试验结果及其讨论

2.4.1试验现象及破坏模式

2.4.2试验数据分析

2.4.3卸载刚度的讨论

2.4.4纵向钢筋的讨论

2.4.5横向钢筋的讨论

2.4.6壁厚的讨论

2.5 小结

本章参考文献

第三章高墩大跨铁路桥梁抗震设计实用方法

3.1抗震设防准则

3.2分析方法

3.2.1反应谱法和线性时程分析

3.2.2非线性静力分析(Pushover分析)

3.2.3非线性时程分析

3.3设计流程

3.4对高桥墩抗震构造的建议

3.4.1纵向钢筋的考虑

3.4.2塑性铰区的位置和长度

3.4.3横向钢筋的考虑

3.4.4壁厚的考虑

3.4.5小结

本章参考文献

第四章高墩大跨铁路桥梁抗震分析实例

4.1桥梁样例及其动力特性分析

4.1.1桥例介绍

4.1.2有限元建模及自振特性分析

4.1.3系统降阶准则和P-△效应讨论

4.2设计地震动及效应组合

4.3小震作用下结构的强度验算

4.4大震作用下结构的变形验算

4.4.1高桥墩的变形能力-Pushover分析

4.4.2桥梁结构的整体变形需求—非线性时程分析

本章参考文献

第五章MTMD用于高墩大跨桥梁减震的被动控制研究

5.1引言

5.2结构—MTMD系统的运动微分方程

5.3 MTMD的参数假定

5.4 MTMD的参数优化分析

5.4.1结构受控模态的动力放大因子

5.4.2 MTMD的参数优化准则

5.5减震控制效果的统计分析

5.6算例分析

5.6.1 MTMD最优参数的确定

5.6.2控制参量及MTMD的布置

5.6.3结果与讨论

5.7 小结

本章参考文献

第六章磁流变阻尼器用于高墩大跨桥梁减震的半主动控制研究

6.1引言

6.2磁流变液体的特性

6.3磁流变阻尼器及其动力模型

6.4结构—阻尼器系统的运动微分方程

6.5控制策略

6.5.1主动最优控制算法

6.5.2半主动控制算法

6.5.3磁流变阻尼器的参数调整

6.6算例分析

6.6.1控制性能指标和系统的频域分析

6.6.2磁流变阻尼器参数的选定

6.6.3结果与讨论

6.7小结

本章参考文献

第七章总结与建议

7.1本文研究工作的总结

7.2未来研究工作的建议

附录A美国和日本有关桥梁抗震设计规范的标准反应谱

附录B高墩模型的设计资料及试验图片

攻读博士学位期间参与项目、论文和论著及参加学术会议情况

致谢