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原文传递大跨CFST拱桥近断层地震响应及BRB减震研究

论文题名：	大跨CFST拱桥近断层地震响应及BRB减震研究
关键词：	大跨钢管混凝土拱桥;近断层地震;动态响应;防屈曲支撑;减震效果
摘要：	随着我国拱桥建造技术的快速发展，大跨钢管混凝土拱桥被广泛应用于西部山区基础设施建设中。西部山区属于地震多发区，且大部分位于地震断裂带上，在近断层地震作用下，钢管混凝土拱桥的拱肋斜撑可能会出现较大应力，存在屈曲失稳的风险，如何有效减小斜撑应力并改善桥梁抗震性能至关重要。首先，以某主跨为500m的大跨上承式钢管混凝土拱桥为工程背景，采用MIDAS Civil建立全桥有限元分析模型；其次，采用非线性动力时程分析方法，研究了近断层地震对钢管混凝土拱桥地震响应的影响，并对全桥关键截面进行了抗弯能力需求验算；然后，基于防屈曲支撑耗能原理，探讨了防屈曲支撑布设位置和设计参数对结构减震效果的影响规律，并对提出的较优减震方案进行了抗震性能分析和抗弯能力需求验算；最后，基于需求能力比模型的曲线拟合法建立了构件地震易损性曲线，对比分析了防屈曲支撑减震方案与原设计方案构件损伤概率的差异性。本文主要工作和结论如下：　　（1）基于 PEER 强震数据库选取了 14 条近断层脉冲地震和无脉冲地震，并对比分析了两类近断层地震波的频谱特性，通过引入地震响应放大系数，对比了近断层脉冲地震和无脉冲地震对大跨钢管混凝土拱桥抗震性能的影响。结果表明，近断层脉冲地震包含较多低频成分，将增大中长周期结构的地震响应；近断层脉冲地震会导致结构整体地震响应有不同程度增大，且使其拱脚截面内力和拱顶位移有显著增加。　　（2）采用防屈曲支撑替换地震作用下拱肋间应力较大斜撑，基于两阶段抗震设计方法对防屈曲支撑的具体参数进行设计，在脉冲地震包络和恒载组合作用下，研究了防屈曲支撑布置位置和设计参数对桥梁地震内力和位移响应的影响规律。结果表明，防屈曲支撑布置在拱顶上弦段（L/4~2L/5，3L/5~3L/4）、屈服承载力为13900kN以及芯板钢材类型采用Q195时，对全桥的地震内力和位移响应减震效果更好。　　（3）基于确定的较优减震方案和原设计方案，对结构关键部位的内力和位移进行了对比分析，并验算了拱肋关键截面的抗弯能力需求比（CDR）。结果表明，减震方案中防屈曲支撑均达到了屈服位移和屈服承载力，具有良好的滞回耗能性能；防屈曲支撑对普通斜撑的应力总体上有不同程度降低，可有效解决斜撑应力超限问题；减震方案中设置防屈曲支撑的拱肋截面抗弯CDR有所降低，但拱脚和拱顶截面的抗弯CDR有显著提高，使结构关键截面的安全储备更为均衡。　　（4）采用IDA（增量动力分析）方法分别对减震方案和原设计方案中拱肋和斜撑进行地震易损性分析，并基于需求能力比模型的曲线拟合法建立了全桥薄弱构件的易损性曲线，研究了减震方案对结构薄弱构件在各强度等级地震下的损伤概率控制效果。结果表明，防屈曲支撑能够有效减小拱肋和斜撑薄弱构件的损伤概率，且对拱脚下弦拱肋和拱顶上弦斜撑的损伤概率有明显减小；当地震波 PGA为 0.1g~0.2g 时，减震方案对主桥拱肋和斜撑薄弱构件的损伤概率均有明显降低，说明在设计地震作用下防屈曲支撑对拱肋和斜撑的损伤控制效果良好。
作者：	刘鑫
专业：	土木工程
导师：	张劲泉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023