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原文传递地震作用下大跨高墩桥梁抗震性能与减震方法研究

论文题名：	地震作用下大跨高墩桥梁抗震性能与减震方法研究
关键词：	大跨高墩桥梁;碰撞效应;流固耦合;抗震性能;减震方法
摘要：	大量震害资料表明，梁体移位甚至落梁、由落梁导致的桥梁连续倒塌、桥墩混凝土开裂、梁侧混凝土挡块开裂甚至完全破坏是桥梁常见的震害现象，而我国西部山区地貌复杂，不乏跨越江河和水库的大跨高墩桥梁的应用。在地震作用下，两端连接多联引桥且跨越深水的大跨高墩桥梁的梁体-梁体之间、梁体-挡块之间容易出现比较复杂的非线性碰撞行为，加之桥墩和水之间的流固耦合效应对结构地震响应的影响，致使该类桥梁的地震响应机制复杂，抗震性能评估困难，一般的桥梁减震措施在该类桥梁上的适用性也不明确。因此，本文以我国西部山区一跨越深水的典型大跨高墩连续刚构桥为研究对象，在考虑碰撞效应、流固耦合效应和材料非线性的基础上，分析大跨高墩桥梁的顺桥向和横桥向抗震性能，并探讨相应的减震方法。主要的研究内容和成果如下：　　（1）基于有限元分析平台OpenSees建立了一典型的大跨高墩连续钢构桥-多联引桥三维非线性动力分析模型，并考虑了桥墩-水耦合效应、梁体-梁体之间的连锁碰撞效应和梁体-挡块之间的碰撞效应。通过桥墩关键截面弯矩-曲率分析，建立了主桥墩和主桥两侧过渡墩的抗震性能评价指标；根据支座的类型和布置形式，建立了连接主引桥的过渡墩处支座的抗震性能评价指标。　　（2）在考虑多联引桥连锁碰撞效应的基础上，分析了梁端碰撞刚度和碰撞间隙对主桥纵向抗震性能的影响。结果表明，无论是否考虑流固耦合效应，碰撞刚度对主桥纵向抗震性能的影响都不大；增大碰撞间隙可以小幅降低主桥墩的损伤程度，并降低主桥右侧过渡墩的损伤程度，但是会加重主桥左侧过渡墩的损伤程度，碰撞刚度设置为原始刚度，碰撞间隙设置为0.20~0.24m时，主桥的纵向抗震性能相对较好。　　（3）以过渡墩处设置横向挡块的主桥模型为研究对象，研究了弹塑性挡块对主桥横向抗震性能的影响，并对挡块强度进行了参数分析。结果表明，设置挡块可以有效地限制主梁和桥墩之间的相对位移，保护支座，大幅降低过渡墩的损伤程度，但会加重主桥墩的损伤程度，而不考虑流固耦合效应时，挡块强度比设置在0.6~1.0，考虑流固耦合效应时，挡块强度比设置在0.6~0.8，可以将桥墩和支座控制在中等损伤状态以下，获得相对良好的主桥横向抗震性能。　　（4）以过渡墩处设置拉索减震支座的全桥模型为研究对象，分析了拉索自由程和拉索刚度对主桥纵向地震响应的影响。结果表明，拉索减震支座对主桥墩和过渡墩的地震响应影响较小，但合理的拉索减震支座参数设计可以有效地限制主梁和桥墩之间的相对位移，并降低橡胶支座的损伤程度。不考虑流固耦合效应时，建议主桥左侧过渡墩处的拉索自由程设置为0.20~0.30m，拉索刚度设置为0.5×106kN/m，主桥右侧过渡墩处的拉索自由程设置为0.50m，拉索刚度设置为1.0~2.0×106kN/m；考虑流固耦合效应时，建议主桥左侧过渡墩处的拉索自由程设置为0.30~0.40m，拉索刚度设置为1.0×106kN/m，主桥右侧过渡墩处的拉索自由程设置为0.50m以上，拉索刚度设置为2.0×106kN/m。　　（5）以过渡墩处设置横向粘滞阻尼器的主桥模型为研究对象，分析了阻尼系数和速度指数对主桥横向地震响应的影响。结果表明，粘滞阻尼器可以有效地降低主梁的横向位移响应，且可以降低主桥墩和过渡墩控制截面的地震响应。对粘滞阻尼器进行的参数分析表明，不考虑流固耦合效应时，阻尼器系数应设置为3000~4000kN·(m·s-1)-a，速度指数应设置在0.4~0.6，考虑流固耦合效应时，粘滞阻尼器的阻尼系数应设置为4000kN·(m·s-1)-a，速度指数应设置为0.6，此时，主桥各构件的横向地震响应均有所降低。
作者：	杨坤
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	邓育林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022