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原文传递强震作用下斜交梁桥碰撞及落梁研究

论文题名：	强震作用下斜交梁桥碰撞及落梁研究
关键词：	斜交梁桥;显式接触算法;地震碰撞效应;落梁破坏;倒塌破坏
摘要：	平面不规则的斜交梁桥由于其线条平顺，同时能够较好地适应道路走向，因而被广泛地使用在高等级公路和城市道路当中。但是这种不规则的平面布置和非对称的支承特性造成了斜交桥特殊和复杂的地震反应，斜交桥遭到地震破坏也比直线正交桥梁更加严重。地震发生时，复杂的弯扭耦合特性使得主梁之间以及主梁与桥台、挡块之间更容易发生斜向碰撞，导致斜交桥混凝土局部破损、主梁脱落、整体倒塌等严重震害。本文以单跨装配式斜交简支板梁桥和斜交刚构-连续组合梁桥为研究对象，运用显式接触搜索算法，建立桥梁的精细化有限元计算模型，系统地研究了斜交梁桥考虑碰撞效应后的地震反应、斜交简支梁桥的地震落梁破坏以及斜交刚构-连续组合梁桥的地震倒塌破坏过程。主要研究内容和取得的研究成果包括以下几个方面: 　　采用显式非线性接触算法，考虑主梁与桥台背墙、横向挡块的碰撞效应，建立斜交梁桥的精细化有限元计算模型并分别输入两条不同频谱特性的三向地震动，对装配式斜交简支梁桥的碰撞地震反应进行了研究。研究表明，考虑了斜交桥地震碰撞效应后，主梁靠近桥台（或挡块）的位移与远离桥台（或挡块）的位移具有显著差别，背离时的位移值远大于靠近时的位移值。同时，每片主梁的顺桥向位移（横桥向位移）也各不相同。地震动频谱特性同样会对上部结构位移产生较大影响:对于顺桥向位移，Elcentro地震动作用下主梁的位移值要大于天津地震动作用下主梁的位移值;而对于横桥向位移，天津地震动作用下的位移值大于Elcentro地震动作用下的位移值。碰撞效应会使主梁梁端、背墙与挡块承受较大的碰撞力，导致梁端、背墙与挡块的应力急剧增大，容易引起梁端混凝土开裂、桥台背墙局部混凝土脱落、横向挡块混凝土开裂等破坏。斜交桥挡块和主梁梁端截面的应力和碰撞力分布很不均匀，装配式主梁端截面锐角、钝角点的碰撞力大于截面中间点的碰撞力，主梁横断面锐角点处的地震碰撞力小于钝角点处的碰撞力。装配式斜交梁桥各片主梁之间也具有不同程度的碰撞，外侧边主梁之间的碰撞力大于中间主梁间的碰撞力。　　通过考虑碰撞效应和混凝土材料的破坏，研究了强震作用下装配式斜交简支梁桥的落梁破坏过程。结果表明，斜交简支梁桥的落梁过程会经历主梁与背墙以及主梁与挡块的碰撞、挡块的大变形破坏、主梁失去竖向支承产生落梁三个阶段。碰撞效应是引起斜交梁桥落梁的重要原因，碰撞引发的主梁平面内旋转使得主梁容易从桥面系的一角发生局部脱落。对于斜交简支梁桥，主梁会在钝角处首先失去支承发生落梁。另外，斜交梁桥发生落梁时往往都伴随有横向挡块的大变形破坏。在对斜交梁桥进行抗震设计时，对横向挡块的重视程度应当加强，合理的挡块设置能够有效减小上部结构的横向位移，降低落梁发生的概率。同时，研究还发现地震动的频谱特性会对斜交简支梁桥的落梁破坏形式有所影响，频谱特性的差异决定了桥跨全部脱落或者是单片脱落。　　以四跨斜交刚构-连续组合箱梁桥为工程背景，通过设置失效准则模拟结构材料的破坏，分析了强震作用下斜交刚构-连续组合梁桥的地震碰撞效应和倒塌破坏过程。分析表明，地震作用下，相比于装配式斜交梁桥，整体性能较好的箱型斜交梁桥主梁的平面内转动更加明显。箱型截面主梁的梁端碰撞力分布与装配式板梁桥的碰撞力分布呈现出了不同的分布规律，箱梁的横断面锐角点处地震碰撞力大于钝角点处的碰撞力，但横断面中心位置处同样不容易发生碰撞。同时，地震碰撞作用会对桥梁的倒塌形式也会产生影响，改变了下部结构破坏的先后顺序:不考虑碰撞作用时，过大的主梁顺桥向位移造成刚构墩墩底首先发生破坏，主梁对桥台的影响很小，台柱不容易发生破坏;考虑主梁与桥台的碰撞作用时，台柱首先遭到破坏，刚构墩的破坏程度有所减轻。因此在对斜交桥梁进行地震抗倒塌设计时，应当考虑桥梁倒塌过程中客观存在的碰撞效应，并重视桥台处台柱的强度验算。
作者：	孙庆凯
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	亓兴军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文