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原文传递地震作用下上承式拱桥联合作用研究

论文题名：	地震作用下上承式拱桥联合作用研究
关键词：	上承式拱桥;地震作用;主拱圈;拱上建筑;联合作用;抗震性能
摘要：	拱桥力学性能优异，造价经济合理，外形柔美协调，非常适用于地基良好的山川河谷地带，是我国西部地区广泛采用的桥型之一。西部地区是我国强震高发区，近年来发生了大大小小数十次地震，如汶川、雅安、泸定等地震都对交通基础设施造成了巨大的破坏。其中，汶川地震导致了数十座拱桥发生不同程度的损坏，而井田坝、陈家坝等上承式拱桥则发生了完全倒塌的极端震害。拱桥通常被认为是抗震能力较好的桥型之一，但近年来的震害调研显示拱桥也存在着突出的抗震安全隐患。与梁桥简洁明了的传力途径不同，上承式拱桥的传力途径包含拱上建筑和主拱圈两个环节。在静力学中，拱上建筑与主拱圈共同承受荷载的现象被称为“联合作用”，这个现象在地震荷载下往往会更加突显，因为拱圈的三向振动对拱上建筑具有一定的滤波作用，导致拱上建筑的地震响应受到拱圈的显著影响，而拱圈的地震响应也会因为拱上建筑的动力约束作用而发生变化。动力联合作用对上承式拱桥抗震性能的影响是国内外很少涉及的方面。有鉴于此，本文以实际工程中三座典型的上承式钢筋混凝土拱桥为例，专门研究了地震作用下拱上建筑与主拱圈的联合作用，以期为上承式拱桥抗震性能评估与设计提供参考，主要研究工作如下：　　（1）总结分析了上承式拱桥在静力、动力作用下“联合作用”的内涵，提出了动力联合作用的分析方法；在此基础上，选取三座典型的上承式钢筋混凝土拱桥（具有不同的主跨和拱上建筑形式）为实例，基于OpenSEES开源平台，建立了考虑材料、几何、边界等非线性因素的全桥有限元分析模型，为后续非线性时程分析奠定基础，同时基于相应的线弹性分析模型对比研究了三座桥例的动力特性。研究表明：上承式拱桥的主拱圈刚度决定了拱桥的主要振型及其自振周期，前几阶主要振型受拱上建筑的影响不大；对于中小跨径上承式钢筋混凝土拱桥而言，主拱圈面内刚度较面外刚度小，一阶振型通常为面内振动；交界墩处的立柱和支座刚度会影响全桥的高阶振型；桥面系刚度增大会小幅减小结构的自振周期，不影响高阶振型，但会改变分联处交界墩的高阶振型。　　（2）根据动力联合作用的内涵，将拱上建筑等效为附加分布质量作用于主拱圈上，考虑主拱圈的材料、几何等非线性因素建立裸拱分析模型，并以其分析结果作为基准，通过与全桥非线性分析模型的结果进行对比，以此研究联合作用对主拱圈地震响应和抗震性能的影响；进一步以主拱圈的损伤指标来确定动力联合作用的影响程度，同时改变桥道梁的布置方式（简支、连续、刚构），探讨了拱上建筑形式（拱式、梁式）、桥道梁布置方式、主跨跨径对联合作用的影响规律。研究表明：主拱圈拱脚至 l/8 跨区域内联合作用的影响很大，拱脚为危险截面，联合作用影响参数最大可达 10.85；拱上建筑的存在显著降低了主拱圈的轴力和面内弯矩，跨径越大，降低效果越明显；跨径越大动力联合作用受桥面系刚度影响也越大。　　（3）以梁式拱上建筑的两座桥例进一步分析联合作用对拱上建筑地震响应和抗震性能的影响，并以拱上立柱和支座的损伤指标来确定动力联合作用的影响程度；考虑到主拱圈的振动方式与幅度对拱上建筑具有非常明显的影响，分别将上述两座桥例的主拱圈刚度进行不同比例的缩放（0.5、1.5、2.0倍的原始刚度以及无穷刚度，即相当于拱上建筑的立柱根部全部固结）。研究表明：动力联合作用对高立柱抗震性能的影响较小，对矮立柱抗震性能的影响很大，但地震动增大后动力联合作用的影响逐渐减小；中跨桥面板的横桥向位移和边跨桥面板的顺桥向位移响应最大，中跨桥面板位移随联合作用增大而减小；支座是易损构件，交界墩处的支座响应最大，受动力联合作用的影响也较大，拱顶支座响应最小；以拱上立柱底部的加速度时间序列为研究对象，探讨主拱圈的滤波效应，原始地震动经主拱圈的滤波作用后，高立柱底部的顺桥向和横桥向反应谱值有明显的降低，而对矮立柱的横桥向和竖向反应谱则有非常明显的放大效果，主拱圈刚度对滤波效应有一定的影响，刚度较小时滤波效应更加明显。
作者：	龚浩
专业：	土木水利
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：	2023