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原文传递混凝土梁式桥减隔震机理的多尺度分析与试验研究

论文题名：	混凝土梁式桥减隔震机理的多尺度分析与试验研究
关键词：	混凝土梁式桥;抗震设计;减震机理;隔震机理;地震响应;振动台试验
摘要：	近二十年来，我国交通系统中新增大量的混凝土梁式桥，为了保证此类桥梁在地震中的安全，有关梁式桥减隔震机理与减隔震技术工程应用受到研究人员的广泛关注。从已有成果来看，我国桥梁减隔震技术的研究应用已初成体系，相应的规范正在修订完善中。但同时也存在着一些问题有待进一步研究，如减隔震装置力学行为的准确数值模拟、地震中桥梁关键构件局部力学行为的把握、强震甚至罕震作用下减隔震梁式桥体系的失效破坏模式、基于非线性反应谱的减隔震梁式桥更准确实用的设计方法等。本文在前人已有研究成果的基础上，针对上述问题主要进行的工作与取得的研究成果如下: 　　(1)完成了三种减隔震支座力学性能的理论、试验与精细数值模拟研究。　　设计制作了三种直径100mm的减隔震支座，对其力学性能进行了理论、试验与数值模拟研究并将所得结果相互对比验证。由于支座直径较小，设计制作了专门用于小尺寸支座的压剪试验加载装置。采用显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA对上述支座进行精细数值模拟，其中所做的多处简化被证实对计算结果影响很小。　　(2)实现了基于ANSYS/LS-DYNA的钢筋混凝土构件多尺度有限元模拟。　　详述了ANSYS/LS-DYNA中用于模拟混凝土的MAT159材料与MAT174材料的理论并给出了模型中各参数的确定方法;探讨了钢筋混凝土构件多尺度建模方法，并以一常见桥墩为例，建立了实体单元模型、简化梁单元模型、多尺度模型Ⅰ、多尺度模型Ⅱ等四种模型，对比了水平侧向加载试验结果与动力特性结果。研究表明四种模型所得结果一致性很好，两种多尺度模型较实体单元模型计算时间均减小近3/4。　　(3)完成了缩尺减隔震梁式桥振动台试验与多尺度有限元模拟研究。　　以一混凝土梁式桥为背景，按照几何比例1∶4设计制作了缩尺模型;对减隔震桥梁动力特性与地震响应进行了试验分析。结果表明，随着输入峰值的增大，设置上述三种支座的主梁加速度响应相互之间差别较大，梁墩相对位移均呈近似线性的正相关关系。梁墩相对位移与地震动的峰值加速度/峰值速度(PGA/PGV)比值呈负相关关系。在此基础上对缩尺减隔震梁桥进行多尺度建模，求解其动力特性并与实测结果进行对比，再分别对比了三种减隔震支座共9组工况下的包括主梁加速度响应与位移响应在内的数值模拟与相应的振动台试验结果，研究表明两者一致性较好，进一步验证了模型的准确性。最后，基于该多尺度模型研究了桥梁基底剪力以及支座局部的滑移、碰撞等力学行为。　　(4)研究了地震动特性对减隔震梁桥地震响应的影响规律。　　对一三跨混凝土连续梁桥进行了多尺度建模，选用WA波探究地震动加速度峰值对主梁加速度与位移响应、桥墩墩底损伤状态、橡胶正应力等的影响规律;选用WB1-WB15波探讨了PGA/PGV比值对主梁加速度与位移、墩顶位移等响应的影响规律。　　(5)建立了基于大量远场地震动的减隔震梁桥强度折减系数谱。　　由1410条远场地震动近200万工况统计得到平均强度折减系数谱R，分析了延性系数μ、周期T、地震动参数PGA/PGV比值、屈服后刚度α以及场地土条件等对R的影响规律。在此基础上提出了可考虑上述因素影响的R的拟合公式并进行了非线性拟合，再另选62条波验证了拟合结果的准确性。　　(6)建立了基于近场脉冲地震动的减隔震梁桥非线性位移谱。　　由67条近场脉冲地震动统计分析得到以T/Tp（Tp为脉冲周期）为横坐标的非线性变形系数谱Cμ，引入了两个指标Ωμ、Ωα分别用以衡量μ、α对Cμ的影响;同样基于上述地震动建立了以T/Tp为横坐标的弹性加速度反应谱，并以此建立了适用于减隔震桥梁的非线性位移谱。　　(7)实现了近场地脉冲地震作用下减隔震梁桥基于非线性位移谱的抗震设计。　　分析了将减隔震连续桥梁简化为双线性单自由度系统所需的前提条件，推导了墩顶多个支座合并为一个“总支座”进行设计的理论公式，给出了详细的设计迭代过程。并以一三跨连续梁桥为例，进行了基于上述非线性位移谱的近场地脉冲地震作用下铅芯橡胶支座减隔震设计。
作者：	吴宜峰
专业：	土木工程；防灾减灾工程及防护工程
导师：	李爱群;王浩
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文