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原文传递基于能量分析的近断层高铁斜拉桥减隔震控制研究

论文题名：	基于能量分析的近断层高铁斜拉桥减隔震控制研究
关键词：	大跨斜拉桥;减隔震控制;磁流变支座;粘滞阻尼器;能量分析
摘要：	强震区大跨斜拉桥抗震问题突出，支座上拔破坏是常见破坏特征，可能诱发支座、桥墩及上部结构产生严重损坏，支座抬升的不利影响要求斜拉桥在设计和改造过程中采用减隔震技术。目前，国内在高铁大跨斜拉桥上利用粘滞阻尼器和磁流变支座的减隔震技术研究相对比较薄弱，且实际应用于工程的很少，因此大跨斜拉桥在相关方面的减隔震技术需要进一步研究。本文以已建桥梁郁江特大桥为研究对象，通过有限元软件ANSYS建立桥梁模型，采用不同减隔震措施研究大跨斜拉桥在不同地震动下的结构响应。本文的主要研究内容如下: 　　(1)选取近断层脉冲型地震、近断层非脉冲型地震和远断层地震波三种不同类型地震波作为地震激励输入，对地震波时程曲线、相位谱、傅里叶谱、语义图谱(时频图)分析发现，脉冲型近断层地震波的破坏效果最强，因而桥梁在脉冲型近断层地震下的抗震设计要求最高。运用大质量法对桥梁模型进行模拟，得出斜拉桥的自振周期比较大，结构偏柔，布置磁流变支座后，大跨度斜拉桥的结构自振频率降低，结构自振周期延长，符合美国AASHTO规范中把延长自振周期作为减震设计重点的思路。　　(2)参考美国AASHTO规范，设计磁流变支座力学模型，求解支座的参数，利用有限元软件模拟，发现斜拉桥4个支座的力-位移曲线图形均为扁平的“类椭圆”非线性曲线，与国内外研究者试验结论相符，验证了参考美国AASHTO规范的合理性。对磁流变支座的滞回特性分析得出，最大滞回环发生在地震波的高振幅阶段，且在地震波的高振幅期间，累积滞回面积迅速增加到60％以上，达到磁滞曲线总面积的80％后，地震波处于逐渐衰减阶段，磁滞环面积增长趋势逐渐平缓。　　(3)对比有、无设置磁流变支座的桥梁结构的地震动响应得出，对于近断层脉冲型地震、近断层非脉冲型地震、远断层地震，在施加激励电流后，桥梁结构在3种地震动下整体平均减震率分别为17％、32.5％、30％;说明，磁流变支座的设置对斜拉桥有一定程度的减震效果，且桥梁抗震设计在近断层脉冲型地震动作用下更复杂。　　(4)通过对大跨斜拉桥布置粘滞阻尼器进行模拟，选择布置阻尼指数α为0.3,阻尼系数为5000kN·s/m粘滞阻尼器。采用不同减隔震措施进行桥梁减震设计，考虑斜拉桥支座上拔的响应，将主要影响结构的响应峰值和减震率进行对比分析得出，仅布置横向粘滞阻尼器或纵向粘滞阻尼器的桥梁的整体减震效果轻微。布置横向粘滞阻尼器加磁流变支座（A=3.0）和纵向粘滞阻尼器加磁流变支座（A=3.0）均会产生支座上拔响应，但支座上拔位移量较小，对本文研究的斜拉桥不会产生威胁。布置横向粘滞阻尼器加磁流变支座对桥梁结构纵向位移响应的平均减震率为40％以上，桥梁总体减隔震能力较好。布置纵向粘滞阻尼器加磁流变支座，对桥梁结构纵向位移响应控制效果最好，平均减震率为44.65％;上横梁剪力的最大减震率达到54.92％。但塔底弯矩、下横梁剪力等内力响应控制没有布置横向阻尼器加磁流变支座效果好。　　（5）同时布置横、纵向粘滞阻尼器加磁流变支座后，桥梁结构纵向位移减震率，比设置横向粘滞阻尼器加磁流变支座或纵向粘滞阻尼器加磁流变支座低，但高于仅布置横向粘滞阻尼器或纵向粘滞阻尼器的情况。对于桥梁结构的内力响应，同时布置横、纵向粘滞阻尼器加磁流变支座的减震效果远远大于其他减震措施。对于本文研究的大跨斜拉桥来说，粘滞阻尼器和磁流变支座通过引入大量的阻尼比，消耗地震能量，在控制桥面纵向位移、内力响应等方面效果显著，虽不能防止支座抬升的发生，但是可以降低改变桥梁内力和梁端的位移响应，对有承压需求和桥面端部的上提响应提供了一定的缓解。因此，在仅考虑降低桥梁纵向位移响应的情况时，可以优先考虑布置纵向粘滞阻尼器加磁流变支座作为减隔震措施;从桥梁整体结构减震情况来看，同时布置横、纵向粘滞阻尼器加磁流变支座效果更好。
作者：	王璐
专业：	土木水利
导师：	陈令坤;董立冬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023