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原文传递斜拉拱组合体系桥抗震结构优化及减震控制研究

论文题名：	斜拉拱组合体系桥抗震结构优化及减震控制研究
关键词：	斜拉拱组合体系桥;抗震结构;优化设计;减震控制
摘要：	斜拉拱组合体系桥作为一种新型桥梁，结合了拱桥和斜拉桥的各自优势，为拱桥向更大跨径发展提供了有效的途径，同时该桥型在施工、经济性及美学上均极具竞争力，因此该桥型得到了国内外的广泛重视，并已进行了实际应用，但目前针对该桥型的抗震研究成果较少，已有抗震研究主要集中在抗震验算方面，而对抗震结构优化以及高烈度区的减震控制研究尚处于空白，为提高此桥型的抗震安全性，亟待开展此方面的研究，其对该桥型的应用和推广具有十分重要的意义。　　本文以某主跨400m的斜拉拱组合体系桥为研究对象，采用ANSYS软件建立了三维有限元模型，对其进行了动力特性、地震响应、抗震结构优化以及减震控制的研究。主要研究内容及成果具体如下：　　（1）采用ANSYS软件建立了斜拉拱组合体系桥的有限元分析模型，并与已有文献结果进行了对比分析，验证了所建模型的准确性和可靠性。通过自振特性分析，结果表明该桥横向刚度薄弱，故斜拉拱组合体系桥横向刚度设计十分重要，同时研究了斜拉索设置、斜拉索抗拉刚度以及拱-梁-塔连接方式对其动力特性的影响，研究结果显示，斜拉索对结构竖弯振型频率的贡献最大，可达29.47%，不同的拱-梁-塔连接方式仅会改变桥面系纵飘振型的频率及阶次。　　（2）计算研究了斜拉拱组合体系桥在顺向加载、横向加载、顺向+竖向加载、横向+竖向加载、三向加载以及行波效应等多种工况下的地震响应规律，给出了其在各种地震作用工况下的危险截面位置；研究表明，为了抗震设计的安全性，斜拉拱组合体系桥在地震响应分析时宜采用三向加载；当视波速小于500m/s时，结构危险截面响应对视波速的变化较为敏感，此时应考虑行波效应的影响。　　（3）进行了斜拉拱组合体系桥的抗震结构优化研究。综合考虑了结构自振特性、稳定性、抗震性能以及材料用量等因素，分别以结构面内外基频及扭转基频、稳定安全系数、关键地震响应等为指标，针对主拱内倾角、矢跨比、横撑形式、横撑位置、横撑数量（间距）及斜拉索布置位置等进行了参数优化计算分析，研究给出了中承式斜拉拱组合体系桥的合理结构参数取值建议；通过与原模型计算对比，验证了参数优化后模型的合理性，结构优化后，面外基频提高了37.49%，面内基频变化较小，面外与面内基频比由0.43提高至0.61，结构整体动力特性明显改善，稳定安全系数提高了10.92%，同时结构危险截面响应均有所减低，最大减震率为57.91%，抗震优化效果明显。　　（4）采用粘滞阻尼器和BRB对斜拉拱组合体系桥分别进行顺向、横向减震控制研究。为控制主拱内力及桥面系位移，在主梁与肋间横梁间、边梁与桥塔间布设粘滞阻尼器，进行了粘滞阻尼器的参数敏感性分析，得出了综合控制主拱内力及桥面系位移的最佳设计参数；通过取最不利视波速及粘滞阻尼器最佳参数组合，研究了行波效应对粘滞阻尼器减震效果的影响，研究表明，行波效应虽使粘滞阻尼器的减震效果大幅降低，但仍具有5%~10%的减震效果；为控制主拱的横向地震响应，分别采用BRB替换拱脚、L/8、L/4、3L/8以及拱顶位置的横撑联结杆，计算研究表明，将BRB设置在拱脚位置附近可有效控制主拱的内力及位移。
作者：	彭钦霖
专业：	土木工程
导师：	钟铁毅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023