详情

原文传递近场竖向地震作用下桥梁多次碰撞响应和特性研究

论文题名：	近场竖向地震作用下桥梁多次碰撞响应和特性研究
关键词：	桥梁振动;橡胶支座;碰撞响应;竖向地震作用
摘要：	随着地震监测网的加密和监测手段的更新，越来越多的近场地震的监测数据表明，竖向地震加速度幅值往往超出了预期值。近年来坂神、集-集和汶川等近场地震造成的严重桥梁震害不能全部用传统的水平地震震因解释，如环形裂缝，支座断裂和桥墩局部破坏等，而用竖向地震震因解释被认为更合理。　　高幅值的竖向地震动被认为可以抛起主梁，分离桥梁与支座，导致桥梁再次落下时与支座产生重碰撞(pounding)。由此产生的桥梁动力学响应涉及变接触约束拓扑构形、桥梁结构内部的碰撞波动效应、局部结构破坏和非线性动力效应等复杂力学问题，理论和数值研究困难大。　　由于直接到现场实地观察几无可能，目前有关竖向地震引发桥梁震害的解释，仅是根据震后桥梁损坏状态所作的字面上的判断和猜测，没有理论依据和数值计算依据，存在相当的争议，并且也有一些其它不同的解释。缺乏必要的可靠理论方法的分析结果，甚至尚缺乏桥梁竖向地震响应的基础性研究。与桥梁的水平地震响应相比，竖向地震响应的研究缺乏，缺乏对桥梁竖向地震的基本认识，甚至缺乏基本的理论研究方法。　　本文运用瞬态波特征函数展开法，建立了带橡胶支座桥梁在近场竖向地震作用下碰撞响应分析的理论方法，研究了桥梁竖向碰撞响应的若干基本特征。本文的主要研究工作包括: 　　(1)针对近场竖向地震动引起的桥梁多次碰撞响应问题，建立了“梁-弹簧-杆”连续体模型，采用瞬态波特征函数展开法，考虑主梁与支座碰撞接触与分离状态的切换，以及碰撞波在桥梁内的传播效应，建立了既可以分析桥梁碰撞瞬态响应，又可以完成全地震周期内桥梁地震响应分析的理论研究方法。　　(2)针对人工简谐竖向地震动作用，研究了带橡胶支座双跨连续梁桥的地震响应。运用瞬态波特征函数展开法，推导了桥梁多次碰撞响应的理论解。数值研究了理论解对计算时间步长和波模态截断数的收敛性，计算了地震波和碰撞激发瞬态波在桥梁结构内的传播，观察了多次碰撞现象，研究了竖向地震激励周期和幅值的影响，探讨了碰撞响应与竖向地震激励的关系，以及碰撞响应对桥梁结构安全的影响。发现的桥梁若干异常损坏形式与桥梁竖向地震下的碰撞响应存在密切的联系。　　(3)针对人工简谐竖向地震动作用，通过改变地震激励周期、桥梁结构固有周期和地震激励幅值，大量计算了竖向碰撞次数和最大碰撞力，详细研究了竖向地震激励周期、竖向地震激励幅值和桥梁结构固有周期对竖向碰撞的影响。研究发现随着竖向地震激励周期的变化，桥梁间断出现了3个竖向碰撞区，3个竖向碰撞区分别处在桥梁的前3阶竖向固有振动周期附近，碰撞区的出现与竖向地震激励幅值有关。另外，近场竖向地震激励，容易引发处在桥梁的第2阶和第3阶竖向固有振动周期附近的竖向碰撞，与远场地震响应明显不同。　　(4)对比分析了“梁-弹簧-杆”连续体模型和“梁-杆”连续体模型，研究表明“梁-弹簧-杆”连续体模型更为合理。系统研究了桥梁结构和材料参数桥梁竖向地震下的碰撞特性和响应的影响，研究表明桥梁支座刚度、主梁跨度和抗弯刚度的影响明显，桥墩高度和桥墩弹性模量的影响不大，但是，在高墩桥下出现了第4个碰撞区。因此，合理设计的桥梁结构有可能降低竖向地震下桥梁碰撞的烈度和出现频次，提高桥梁抵抗竖向地震的能力。　　(5)对实际近场竖向地震动记录的离散数据进行快速傅里叶变换(FFT)分析，将其展开成各频率成份简谐波的叠加，考虑桥梁支座的作用，采用瞬态波特征函数法，推导了实际近场竖向地震动作用下带支座桥梁结构多次碰撞响应的理论解。并且，建立桥梁结构三维弹性有限元模型，用于对比理论解和有限元方法计算的结果，验证理论方法的可靠性和精度。通过数值算例，计算了实际近场竖向地震动作用下带支座桥梁结构碰撞响应，研究了实际近场竖向地震动作用下多次竖向碰撞特性。研究表明本文建立的理论方法可以用来指导有限元模型的建立，判断有限元数值结果的正确性。在实际近场竖向地震作用下，桥梁结构可能发生竖向碰撞现象和多次竖向碰撞现象。竖向碰撞现象出现近场竖向地震的主要激励周期与桥梁整体结构的前2阶固有振动周期逼近时，并且在桥梁第2阶固有振动周期附近的碰撞，其作用效果接近甚至超过在桥梁第1阶固有振动周期附近的碰撞。在强近场竖向地震动激励作用下，在桥梁弯矩会出现反转，桥墩会出现高幅值波动的轴向压应力，甚至出现轴向拉应力，这些现象与观察到的桥梁结构的异常破坏现象相吻合。在实际近场竖向地震动激励作用下的计算分析结果，验证了通过单个主简谐竖向地震波作用下得到的竖向碰撞特性。
作者：	杨海波
专业：	固体力学
导师：	尹晓春
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文