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原文传递大跨上承式拱桥梁式拱上建筑多维地震易损性研究

论文题名：	大跨上承式拱桥梁式拱上建筑多维地震易损性研究
关键词：	大跨上承式拱桥;拱上建筑;地震作用;易损性评价;抗震设计
摘要：	上承式拱桥由于外形美观，自重轻，跨越能力强等优点，成为山区最常用的桥型之一。随着设计和施工方法的改进与创新，上承式拱桥正朝着大跨、结构形式多样化发展。当跨径较小时，拱上建筑震害不是很突出，损伤多发生在主拱圈处。但是随着跨径增大，拱上立柱高差异化愈发显著，各立柱上的地震力差值逐渐增大，导致拱上建筑震害越发明显。因此，拱上建筑的震害可能会成为大跨上承式拱桥抗震设计的主要矛盾。当前上承式拱桥抗震研究多关注主拱圈性能，很少考虑拱上建筑在拱桥破坏过程中的作用，这无疑会给拱桥系统损伤概率的评判带来误差。鉴于此，本文针对某大跨上承式拱桥的梁式拱上建筑进行多维地震易损性研究，通过与拱上建筑相同结构形式的梁桥对比，探究拱圈对拱上建筑易损性的影响。在此基础上，希望将现有非规则梁桥的抗震设计方法运用于拱上建筑的抗震优化设计之中。本文主要研究内容及结论如下：　　（1）以某大跨上承式钢筋混凝土拱桥为研究对象，基于 SAP2000 有限元平台建立了拱桥模型、主拱圈模型和梁桥模型，并对比分析其动力特性。然后，分别研究了纵向、横向和竖向加载下立柱底部滤波时程的频谱特征和关键构件的地震响应；通过对比分析，揭示了主拱圈对梁式拱上建筑地震响应的影响。研究表明：主拱圈的存在使得结构变柔，自振周期增大。滤波时程的加速度反应谱在结构基本自振周期段内有放大效应，立柱越矮放大效应越明显；滤波时程的功率谱值在部分低频段内增加，在高频段内减小，立柱越矮衰减越严重。水平加载方向上，拱上建筑与相同结构形式的梁桥地震响应分布规律基本一致，且多数拱上建筑构件的地震响应小于同位置的梁桥构件；横向加载时，拱上建筑构件在纵桥向产生不可忽略的内力，构件双向受力明显。拱上建筑对竖向地震更加敏感，其较相同结构形式的梁桥产生更大的地震响应。总的来说，主拱圈在各方向加载下对拱上建筑地震响应影响从大到小排序依次为竖向、横向、纵向。　　（2）确定构件的损伤指标，结合增量动力分析法（IDA）和能力需求比法（C/D）确定三维地震作用下桥梁的抗震薄弱环节。基于三维地震易损性分析方法（TDSFA）和条件边缘乘积法（PCM）建立了桥梁构件和系统的易损性曲线，在此基础上，采用易损性指数讨论了竖向地震动和地震动输入方向对构件损伤概率的影响。通过对比分析，明确了拱上建筑的多维地震易损性能以及主拱圈对拱上建筑损伤概率的影响。研究表明：大跨上承式拱桥损伤由高到低依次为：拱上建筑支座变形损伤、立柱弯曲损伤、主拱圈弯曲损伤、立柱剪切损伤。拱上建筑构件与相同结构形式的梁桥构件具有相似的易损性曲线，高墩柱和支座损伤严重。主拱圈的存在导致拱脚高立柱、拱顶矮立柱和 1/4 点附近的拱上建筑支座的易损性概率可能大于对应梁桥构件的损伤概率，而剩余情况下拱上建筑构件较同一梁桥构件的损伤概率会更小。拱上建筑的系统易损性概率略小于同结构形式的梁桥，主拱圈的存在对上部结构的抗震有利。拱上建筑抗震分析时需要考虑竖向地震动和地震动输入方向的影响。　　（3）参照非规则梁桥的抗震设计方法，通过调整支座刚度和改变分联形式对拱上建筑进行抗震优化设计并提出相关建议。研究表明：拱上建筑在进行支座刚度优化时需要考虑上部结构的约束作用，调整支座刚度更多是削弱了矮墩柱的地震响应。连续梁体系比简支梁体系更有利于各墩协同抗震，采用分联形式均匀的短联拱上建筑减震效果最佳。将边跨一联设置为刚构体系后有利于高立柱抗震，但应控制跨数不宜过多。综合优化后各易损构件地震响应和损伤概率符合预期效果，但个别支座位移响应会增加，必要时需要设置限位措施。
作者：	徐蝶
专业：	土木工程
导师：	郭增伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023