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原文传递旋转地震动作用下简支梁桥碰撞效应研究

论文题名：	旋转地震动作用下简支梁桥碰撞效应研究
关键词：	简支梁桥;地震动旋转分量;地震动特性;碰撞效应;参数分析
摘要：	随着地震动观测技术的发展，学者们认识到地震动不仅含有平动分量还含有旋转分量，种种震害现象和大量学者的研究，均表明地震动旋转分量对工程结构的影响不可忽视，而我国公路桥梁抗震设计和理论研究大多针对地震动平动分量，未考虑地震动旋转分量对桥梁结构可能产生的影响。简支梁桥在我国高速公路和市政工程中应用广泛，其在地震作用下容易发生主梁移位并产生碰撞现象，且碰撞是造成桥梁结构损坏的重要原因。目前，多数学者的研究仅针对了地震动平动分量作用下桥梁结构碰撞，对旋转地震动作用下的桥梁结构碰撞的研究开展较少。为此，开展了如下工作：　　1、研究了地震动旋转分量的合成理论与方法，选取14组地震动平动分量实测数据，基于弹性波动理论，利用SSP法合成地震动旋转分量，并对其地震动特性进行分析，主要结论有：　　（1）多数情况下地震动旋转分量中扭转分量的角加速度峰值大于摇摆分量的角加速度峰值。　　（2）相较于地震动平动分量，地震动旋转分量含有更多的高频成分，特别是富含10Hz以上频率，且旋转分量中摇摆分量相比扭转分量富含更多的高频成分；此外，地震动旋转分量的角加速度反应谱在周期0.1s内幅值较大。因此，对于结构周期较小的工程结构，应该重视地震动旋转分量对其动力响应的潜在威胁。　　2、为研究地震动旋转分量对桥梁结构碰撞效应的影响，基于SAP2000有限元平台建立简支梁桥精细化有限元模型，分析平动分量工况、平动分量加扭转分量工况、平动分量加摇摆分量工况和地震动六分量工况下的简支梁桥碰撞效应，主要结论有：　　（1）地震动旋转分量对简支梁桥碰撞响应的影响显著。旋转分量不仅会增大接触单元和挡块的碰撞力峰值，还会改变主梁的转动规律，进而影响主梁与接触单元及挡块发生碰撞的规律。过大的碰撞力会导致桥梁结构损坏，应重视地震动旋转分量对简支梁桥碰撞响应的影响。　　（2）碰撞效应对简支梁桥响应的影响较大，考虑碰撞效应后多数桥墩的墩底纵向弯矩减小，墩底其他内力增大。考虑碰撞效应后地震动旋转分量对支座位移和墩底内力响应的影响显著，旋转分量对支座纵向位移、墩底横向弯矩和墩底扭矩响应的最大增幅分别为9.6%、10.6%和37.6%，在简支梁桥抗震设计中应注意地震动旋转分量对支座位移和墩底内力的影响。　　（3）地震动旋转分量中不同分量对桥梁结构响应的影响不同，旋转分量中摇摆分量对墩底横向弯矩和支座位移响应的影响显著，扭转分量对墩底纵向剪力和扭矩响应的影响显著。　　3、为研究旋转地震动作用下不同参数对简支梁桥碰撞效应的影响，选取接触单元的初始间隙、碰撞刚度以及地震动视波速，分析平动分量工况、平动分量加扭转分量工况、平动分量加摇摆分量工况和地震动六分量工况下桥梁结构参数与地震动参数对简支梁桥碰撞效应的影响，主要结论有：　　（1）旋转地震动作用下，接触单元碰撞力峰值和碰撞次数随初始间隙的增大呈减小趋势。初始间隙较小时旋转分量对墩底纵向弯矩响应的影响更大，考虑旋转分量后初始间隙4cm时最大增幅为5.5%；初始间隙较大时旋转分量对墩底纵向剪力和支座纵向位移响应的影响更大，考虑旋转分量后初始间隙8cm时最大增幅分别为11.0%和46.6%。旋转地震动作用下较小和较大的初始间隙对桥梁结构响应均有不利影响，工程中应考虑各种因素合理取值。　　（2）旋转地震动作用下，接触单元碰撞力峰值随碰撞刚度的增大呈增大趋势，碰撞次数呈减小趋势。碰撞刚度较小时旋转分量对中墩处支座纵向位移响应的影响更大，碰撞刚度较大时旋转分量对桥台处支座纵向位移响应的影响更大。碰撞刚度1.0k时旋转分量对墩底扭矩增幅最大，为37.6%；碰撞刚度1.5k时旋转分量对墩底横向弯矩增幅最大，为11.0%。旋转分量对桥梁结构响应的影响随着碰撞刚度的变化而不同，当碰撞刚度增加到一定程度后，旋转分量对各响应的影响趋于平缓。　　（3）旋转地震动作用下，存在接触单元在考虑行波效应后碰撞力峰值和碰撞次数大于一致激励的情况。考虑行波效应后地震动旋转分量对支座纵向位移和墩底内力响应的影响更显著，视波速300m/s时旋转分量对支座纵向位移的增幅最大，为27.6%；视波速500m/s时旋转分量对墩底纵向弯矩、纵向剪力和扭矩的增幅最大，分别为8.6%、14.8%和52.9%。
作者：	王乙川
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
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