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原文传递强震下双层高架桥横向碰撞效应及对策研究

论文题名：	强震下双层高架桥横向碰撞效应及对策研究
关键词：	高架桥;抗震设计;橡胶缓冲垫;碰撞效应
摘要：	近50余年发生的几次大地震使桥梁结构遭到严重破坏，尤其是发生在城市或近郊的大地震，如阪神地震、Loma Prieta地震、汶川地震等。震害调查表明，结构或构件碰撞是造成桥梁严重破坏的主要原因之一，如阪神地震中的阪神高速线高架桥、Loma Prieta地震中的Cypress Street双层高架桥等。作为城市交通中的常见桥型之一，双层高架桥由于质量和刚度分布特殊，梁、墩紧密相邻，地震响应更复杂，其中下层桥面与墩柱和上层桥面与挡块的碰撞尤为严重，特别是下层桥面与墩柱的碰撞将导致下横系梁与墩柱的节点严重破坏，墩柱剪断，上层桥面直接坍塌到下层桥面。本文针对双层高架桥在地震中的碰撞问题开展研究，采用数值模拟和参数敏感性分析手段，全面研究了碰撞刚度、初始间隙、恢复系数、支座摩阻系数等参数对桥梁碰撞效应的影响，开展了上层桥面与挡块、下层桥面与墩柱的双重碰撞效应研究，提出并分析了高阻尼橡胶缓冲垫作为减碰措施的有效性。论文研究表明: 　　(1)下层桥面与墩柱间的碰撞力大部分被下横系梁吸收，横系梁再将轴力传递到墩柱，从而导致墩柱在横系梁节点处剪力发生较大突变，对横系梁以及横系梁与墩柱的节点非常不利，这也与以往双层高架桥节点破坏，桥面坍塌的震害完全符合;碰撞对上墩柱的地震剪力和弯矩响应影响较大，但对下墩柱影响较小，究其原因在于碰撞的大部分能量经墩柱从上往下传递时被横系梁所吸收。　　(2)墩柱的剪力响应、弯矩响应、横系梁轴力响应和碰撞力与碰撞刚度成正比关系;改变下层桥面与墩柱间的间隙并不能有效防止二者发生碰撞，因为在地震作用下，支座破坏后主梁依然会发生大位移，只要主梁与墩柱发生碰撞，碰撞效应对墩柱的内力响应的影响都是巨大的;在不同的恢复系数下碰撞效应对墩柱内力响应的影响相差较小，虽然碰撞过程中能量损耗程度不同，但下层主梁与墩柱一旦发生碰撞就会导致墩柱及横系梁内力响应的突增;改变支座摩阻系数时碰撞效应对下墩柱内力响应造成的影响相差较小，对上墩柱相对较大，支座摩阻系数对碰撞力的大小和碰撞次数的影响较小。　　(3)由于下层主梁与墩柱碰撞时二者质量都非常大，碰撞力也较大，而上层主梁与挡块的碰撞，由于挡块的质量较小，并且在弱挡块强度下，挡块直接被撞坏，碰撞力较小，因此下层桥面与墩柱的碰撞效应对墩柱内力响应的影响较大，上层桥面与挡块的碰撞效应对墩柱内力响应的影响相对较小;下层碰撞效应造成了墩柱弯矩的增加，上层碰撞反而减小了墩柱弯矩，上、下层碰撞效应对墩柱的影响呈相反作用;当设置高强度挡块时，虽然能有效控制主梁的横向位移、保护支座并抵消下层碰撞对墩柱的作用力，但是高强度挡块下主梁受到的侧向瞬时冲击力也较大，小箱梁侧板在较大的瞬时压应力下，可能发生梁体开裂破坏。　　(4)针对下层桥面与墩柱的碰撞效应，采用参数分析法研究了高阻尼橡胶垫作为减碰装置的效果，研究发现在下层主梁与墩柱之间设置高阻尼橡胶垫，主梁的瞬时碰撞力作用到橡胶垫上后，橡胶垫将冲击动能的一大部分转化为变形势能，随后再慢慢释放出来，橡胶垫吸能作用可大大降低碰撞效应对墩柱及横系梁地震响应的不利影响;通过对橡胶垫厚度和面积的参数分析发现，橡胶垫面积和厚度越大，减碰效果越好，当橡胶垫面积为0.6m2，橡胶垫厚度为8cm时，已经能达到较好的减碰效果，经济实用性较高。　　(5)下层主梁与墩柱间的碰撞效应会导致墩柱各关键截面的抗弯能力/需求、抗剪能力/需求和横系梁抗拉能力/需求明显降低，而橡胶垫减碰装置能显著提高墩柱和横系梁的抗震性能。
作者：	魏晓龙
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	徐略勤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文