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原文传递地震作用下桥梁梁体与横向挡块动态碰撞研究

论文题名：	地震作用下桥梁梁体与横向挡块动态碰撞研究
关键词：	地震作用;桥梁梁体;横向挡块;动态碰撞
摘要：	地震作为破坏力巨大的一种自然灾害，多次给人民的生命财产安全造成了严重的危害。桥梁作为灾后救援和重建的重要通道，其抗震性能对救灾人员和物资能否以最快的速度到达起到了决定性的作用。简支梁(板)桥、连续梁(板)桥是修建最普遍的桥型，它们抗震性能应该给予重点关注。在这种类型的桥梁中，上部结构的落梁是桥梁倒塌的首要原因，应当尽量避免。因此，许多研究人员对此展开了大量的研究，但是大多数人关注的是占落梁事故大多数的纵向落梁，并提出了很多的防落梁措施和开发了多种多样的防落梁设备；与之相对，横向落梁研究就少了很多。最常见横向落梁措施是设置横向抗震挡块，它肩负着避免落梁破坏发生的重任。就是这样一个重要的构件，其设计却无章可循，基本靠设计人员的经验或者借鉴其他工程，这样一来在地震中它能发挥多大的作用就不得而知了；而且，梁体和挡块之间的碰撞会增加桥墩的受力，但具体增加程度也很难一概而论。为了弄清楚该问题，本文开展了一些有益研究。　　本文从解析的角度来研究梁体与横向挡块的碰撞。从碰撞问题的模拟和求解入手，对常用接触单元法的几种具有代表性的模型进行讨论，提出了用弹簧-振子模型代表接触单元模型碰撞过程的基本思路，通过求解弹簧-振子运动方程，得到碰撞问题中碰撞力-相对压入量、碰撞力-碰撞持续时间、相对压入量-碰撞持续时间关系等所关心的物理量。该改进求解方法对存在大量能量耗散的碰撞问题尤为有效，可以得到精确解或者无限接近精确解的近似解，适合将其用于考虑梁体与挡块碰撞效应的桥梁地震响应问题求解。同时，得到的挡块受力可以为挡块的细节设计提供参考。综合考虑了恢复系数(它的大小直接代表了碰撞中能量耗散的多少)和其他各种影响碰撞过程的因素，发现Hertz模型求解的最大碰撞力和最大相对压入量与Hertzdamp模型的精确解之间存在着一定的关系。在其他参数相同的情况下，该关系只与恢复系数有关，利用一元四次多项式进行了拟合，效果非常好。　　 Hertzdamp模型虽然可以准确地模拟碰撞过程，但由于非线性项的存在，将其直接用于地震中考察梁体与挡块碰撞效应和考虑碰撞效应的横桥向结构响应的话，会增加很大的工作量。相比较而言，既简单又能考虑能量耗散的Kelvin-Voigt模型更受人青睐，但该模型存在着分离后出现二次撞击和接触刚度难以确定的问题。本文对该模型进行了一定的改进，并采用Hertzdamp模型计算结果求解等效Kelvin接触刚度，一举解决了以上两个问题，并保证了计算精度。在此基础上，基于该模型推导了利用中心差分法、Newmark法、Wilson-θ法和SSH法等数值计算方法求解考虑梁体与挡块碰撞效应的结构响应的方法，并对四种求解方法在梁体与挡块碰撞问题上的适用性进行了比较，当步长很小时，四种方法得到的结果几乎没有差别。　　利用得到的求解方法和根据其编制的程序，研究了各种因素对梁体与挡块碰撞效应和结构响应的影响，包括场地类型、结构参数和碰撞参数等。　　又确定了具有橡胶缓冲垫的梁体与挡块碰撞问题的碰撞模型、恢复力模型和矩形缓冲橡胶垫压缩刚度的计算方法，推导了计算步骤。对橡胶垫在梁体与挡块碰撞中的减震效果进行了参数分析，包括橡胶阻尼比、橡胶硬度、橡胶垫面积和橡胶垫厚度等。分析结果表明，增加橡胶阻尼比对减震效果有利。橡胶硬度则是通过两个方面来影响橡胶垫的减震效果：其一是改变了橡胶的变形能力，其二是改变了橡胶垫的刚度。增加橡胶硬度在一定程度上是有利的，但是它同时也降低了橡胶垫的变形能力，所以在缺乏试验数据的情况下，建议采用邵尔硬度为65左右的橡胶。橡胶垫面积对减震效果的影响和橡胶硬度类似，但在尺寸选择方面则比较自由、灵活。橡胶垫厚度对橡胶垫减震效果的影响比较复杂，选择不当不但不能起到减震的效果，还有可能适得其反。　　最后，根据动量守恒原理和能量守恒原理推导了最大程度减轻梁体与挡块碰撞损伤所需的最小橡胶垫厚度。为使研究结果能更直接地指导工程的设计和施工，提出了横向挡块减震设计的方法和步骤，用于解决初始间隙和橡胶垫厚度的选择问题，并用MATLAB进行了编程实现。该程序自动化程度较高，设计人员根据自己的目标即可进行合适初始间隙和橡胶垫厚度组合的选择，同时还能清楚地看到选用该组合时的碰撞效应和结构响应与选用其他组合时差别的大小。
作者：	刘鹏
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	郑凯锋
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文