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原文传递近断层铁路简支梁桥抗震韧性提升及评估

论文题名：	近断层铁路简支梁桥抗震韧性提升及评估
关键词：	铁路简支梁桥;形状记忆合金;铅芯橡胶支座;力学性能;近断层地震;抗震韧性
摘要：	近年来我国高速铁路发展迅速，随着铁路线路的不断延伸，许多铁路桥梁的建设不可避免的靠近断层，而越来越多的研究发现近场地震动会使得桥梁结构产生更为严重的破坏，所以提升近断层铁路桥梁的抗震能力十分重要。目前，随着桥梁抗震设计思想的发展，人们开始将目光投向韧性抗震的设计，国内对于铁路简支梁桥的韧性抗震研究开展较少，多数抗震研究没有直接考虑桥梁的震后恢复能力。为此，本文开展了如下工作：　　1、分析了形状记忆合金（SMA）的特性及其本构模型，利用多单元法对SMA超弹性性能实现了准确数值模拟，以SMA丝与铅芯橡胶支座（LRB）组合形成的SMA-LRB 复合支座为研究对象，探究了 SMA-LRB 复合支座的工作原理，推导了其力学模型，在此基础上提出了能在有限元软件SAP2000中实现模拟的SMA-LRB数值模型，将模型进行了低周往复荷载模拟，并将结果与相关试验结果进行对比，验证了数值模型模拟的正确性。　　2、为研究SMA丝布置方式、SMA选材及SMA布置数量这三种主要因素对SMA-LRB复合支座力学性能的影响，选取适用于铁路简支梁桥减隔震的LRB型号作为基础支座配合SMA丝，通过力学模型推导和在SAP2000中进行数值模拟的方式，对三种影响因素下SMA-LRB复合支座的力学性能变化规律进行了分析，主要结论有：　　（1）相比直线型与交叉型的布置方式，采用双交叉型的SMA丝布置方式时，随着复合支座位移的增大，SMA丝应变变化更为稳定，且在复合支座达到最大位移限值前，SMA丝能达到其极限应变，最大化的提供额外的水平恢复力。　　（2）在一致采用双交叉型布置且复合支座位移相同的条件下，相较于 Ni-Ti合金和Cu基SMA，Fe基SMA能提供更大的水平恢复力，最大可达Ni-Ti合金的1.96倍，Cu基SMA的2.4倍，并且其滞回图形稳定，耗能良好。　　（3）采用Fe基SMA材料且SMA丝为双交叉型布置时，SMA-LRB复合支座的水平等效刚度、屈服刚度和耗能会随 SMA 丝布置数量的增加而增长，但等效阻尼比会随SMA丝布置数量的增加而减小。　　3、为研究SMA-LRB复合支座对铁路简支梁桥抗震性能的提升情况，设置普通盆式橡胶支座、LRB支座和SMA-LRB复合支座的三种桥梁模型互为对比，分析三种模型在近场和远场地震作用下，纵桥向和横桥向的地震响应情况，主要结论有：　　（1）相较远场地震，近场地震对铁路简支梁桥纵向结构影响较大，装置SMA-LRB复合支座能有效的减少桥墩的墩顶纵向位移，最大减震率为57.8%，最小减震率为26.2%，相同条件下，复合支座较LRB支座的减震性能有进一步提升。　　（2）近场地震作用下，铁路简支梁桥的墩底剪力和弯矩响应受支座耗能和刚度的影响，当SMA-LRB复合支座耗能较高时，则能有效降低墩底剪力的响应，但当复合支座耗能较弱，复合支座本身刚度较大时，传递到桥墩的地震力会有所增大，最终导致墩底弯矩或剪力响应有所增加。　　（3）近场地震作用下，相较于LRB支座，SMA-LRB复合支座在纵桥向或者横桥向的支座位移在多数情况下都较小，且SMA-LRB的震后残余位移基本趋近于零，表现出良好的恢复性，对比SMA-LRB支座与LRB支座的滞回曲线可见相同位移下复合支座的剪切力更大，能提供更多恢复力，SMA丝的加入进一步提升了LRB的耗能与恢复性。　　4、为量化评估铁路简支梁桥的抗震韧性，建立了铁路简支梁桥的抗震韧性评估框架，设置装配SMA-LRB和LRB支座的两类桥梁模型作为对比，对两者进行改进后的地震易损性分析（云转 IDA 法），将计算得到的各损伤超越概率代入评估框架中以对两类桥梁模型进行抗震韧性评估，主要结论有：　　（1）本文所研究的铁路简支梁桥桥墩与隔震支座的抗震韧性会随地震动PGA的增长而逐步降低，PGA小于0.38g时，桥墩抗震韧性较好，多评级为优或良，隔震支座则在PGA小于0.7g的范围内皆表现出较好的抗震韧性，多评级为优或良，相同PGA条件下，SMA丝的加入能进一步提升LRB支座的抗震韧性。　　（2）装配SMA-LRB或LRB的铁路简支梁桥系统的抗震韧性在地震动PGA为0.4g范围内时，两类桥梁模型系统的抗震韧性均较好，评级多为优或良，但相同PGA条件下，使用SMA-LRB的铁路桥梁抗震系统的韧性指标值较LRB铁路桥梁有所增加，抗震韧性有进一步提升。
作者：	邹赐
专业：	土木水利
导师：	喻梅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023