详情

原文传递基于碰撞效应的混凝土斜拉桥地震响应特征研究

论文题名：	基于碰撞效应的混凝土斜拉桥地震响应特征研究
关键词：	混凝土斜拉桥;地震响应;碰撞效应;损伤等级
摘要：	对于跨越活动断层的大跨混凝土斜拉桥，由于受到地震动和断层异向相对错动的共同影响，桥梁的地震破坏风险将显著增加。由于强震作用下纵横向均将发生显著的位移，斜拉桥不可避免的与相邻桥跨或桥台发生碰撞灾害。目前，国内外学者对地震作用下中小跨径桥梁的碰撞破坏规律开展了较多研究，但对跨越活动断层的斜拉桥碰撞问题缺少系统研究，缺乏可供借鉴的文献资料及工程实例。造成这种情况的主要原因：一是现有道路交通网中的大跨度斜拉桥数目仍较少，跨越断层带的混凝土斜拉桥数量更是只占很小的一部分。另一方面是在役斜拉桥多为近些年新建，地震作用可能引起的碰撞破坏尚未引起足够的重视。但随着时间的推移，越来越多的工程开工建设，不可避免的将斜拉桥修建于地震高烈度区。由于强震下斜拉桥碰撞效应研究成果较少，为保障桥梁地震中的安全性能，客观上需要加大这方向的研究，以期促进已有抗震规范不断的完善和满足实际工作需求。鉴于此，本文以跨断层混凝土斜拉桥为研究对象，从分析斜拉桥与引桥的动力特征差异与碰撞效应的关系为切入点，对斜拉桥的断层运动影响机制、碰撞效应分析计算模型、结构碰撞破坏等级评估及减隔震措施等问题进行研究。主要研究了以下几个方面的工作：　　（1）从宏观角度对地震作用下斜拉桥碰撞灾害的发生机理进行了阐述，并以碰撞体间的相对空间位置、碰撞体形式及能量的转换过程等为标准进行了碰撞灾害分类。探讨了跨断层地面的运动特点，分析了跨断层斜拉桥发生碰撞灾害的破坏机理。以一座跨断层斜拉桥为例，对相邻桥跨动力特征差异对碰撞效应的影响进行了研究。结果表明，结构动力特征存在差异的碰撞响应程度高于等周期比的碰撞体系，中小跨径桥梁对动力特征差异的敏感性高于大跨径斜拉桥；　　（2）建立了一种斜拉桥纵向振动频率估算公式。该方法基于能量守恒定律，通过对斜拉桥动能和势能的构成，包括辅助墩、主塔及拉索等进行分析、计算和调整，得到适用于斜拉桥的纵向振动频率的估算公式。利用该估算公式与有限元模型计算结果进行对比，结果表明，误差大小能满足概念设计阶段的要求，具有较好的适用性。计算误差可能是由于拉索支承刚度对索塔产生约束作用等造成。该方法为分析斜拉桥与引桥动力特征差异对碰撞效应的影响奠定了基础；　　（3）建立了地震作用下跨断层混凝土斜拉桥碰撞效应力学计算模型。该模型基于自由碰撞理论，通过引入桥墩抗推刚度和约束条件等修正参数而建立。采用非线性动力时程分析方法，给出了不同碰撞主体对应的应力分布规律。分析了地震波输入方向、碰撞接触单元刚度、地形条件及初始间隙对跨断层斜拉桥碰撞效应的影响规律，并对斜拉桥与中小跨径桥碰撞的参数模拟提出了初步建议；　　（4）研究了适用于跨断层斜拉桥地震动的碰撞破坏等级评估方法。通过混凝土材料应变的室内试验，探讨了混凝土材料时变性对桥梁碰撞破坏评估精度的影响，进行混凝土初期损伤的研究。建立了以结构衰减刚度系数比为碰撞损伤指标，结合以震后可修复性的损伤水平标准，确定了碰撞破坏等级评估方法。从内力和位移响应两方面，分析了不同地震波PGA水平和频率成分对斜拉桥碰撞损伤的影响规律；　　（5）文章最后针对混凝土斜拉桥碰撞灾害的应对措施进行分析，探讨了三种减震橡胶支座、支座剪力键、桥台刚度和限位器对斜拉桥的减隔震影响规律。在此基础上，建立了两种新型斜拉桥伸缩缝减隔震和防落梁装置。　　本文研究成果对加深跨断层混凝土斜拉桥碰撞效应的认识，促进考虑碰撞灾害混凝土斜拉桥的抗震设防发展具有重要的理论意义和实用价值。在如今缺乏对混凝土斜拉桥碰撞效应分析和危害应对措施的情况下，本研究可起到一定的参考作用。
作者：	申林
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	刘来君
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文