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原文传递大型桥梁结构减振设计方法研究与应用

论文题名：	大型桥梁结构减振设计方法研究与应用
关键词：	大跨桥梁;桥梁振动;消能减振;隔震装置
摘要：	大型桥梁在地震或风作用下产生的振动常常会成为桥梁结构设计的控制因素，本文采用理论分析、试验研究及工程应用相结合的研究方法，对大型桥梁结构减振设计方法进行了较为深入的研究，主要开展的工作和取得的研究成果如下：　　 ⑴对涉及结构建模的一些难点问题如：混凝土构件的有效刚度、桥梁减隔震装置、结构阻尼比、支座连接构件、桩-土相互作用的模拟方法及相关参数的合理选取等进行了较深入的研究和总结，提出了能兼顾准确性和可操作性的实施方案：通过对求解结构地震反应的多种分析方法进行对比分析，指出基于与荷载相关的里兹向量振型迭代法是一种快捷且能满足工程精度要求的分析方法，可用于大型减振桥梁的结构分析。　　 ⑵对铅芯橡胶支座、滑动支座、粘滞阻尼器、Lock-up等减隔震装置应用于大型连续梁桥纵向和横向减振的设计方案进行了研究，指出需同时考虑桥梁结构的正常使用功能和减隔震要求，将各种减振装置合理组合，才能获得理想的减振效果：并对减隔震装置设计参数选取与优化进行了分析，提出了超多跨连续梁桥结构和大跨连续梁桥结构的减振设计方法，并应用于苏通大桥北引桥和宿迁至新沂高速公路工程京杭运河大桥的抗震设计。　　 ⑶对大跨斜拉桥消能减振设计的关键问题进行了研究。通过对薄壁箱梁扭转特性的深入分析，提出一种利用空间有限元分析软件分析功能来计算薄壁箱梁截面几何特性参数的方法，该方法实施过程简单，计算精度高，较好地解决了大跨桥梁建模过程中的难点问题；大跨斜拉桥结构地震反应分析结果表明，墩、梁连接条件的改变对斜拉桥结构的地震反应影响较大，在大跨斜拉桥中设置粘滞阻尼器，可以有效地控制地震作用下的桥梁结构的横向位移反应和内力反应。通过对粘滞阻尼器参数的对比分析认为，一般情况下非线性阻尼器的减振效果比线性阻尼器要好，并且速度指数越小，减振效果越好，建议α的取值可采用O.3～0.5。以杭州湾大桥南航道桥为例，研究了设置粘滞阻尼器后的结构抗震性能和减振效果，验证了粘滞阻尼器的设计参数对结构地震响应的影响规律。　　 ⑷对大跨自锚式悬索桥消能减振设计方法进行了研究。结合自锚式悬索桥的结构特点，研究了索体系与整体结构的平衡状态分析方法：对两种约束边界条件的自锚式悬索桥结构的行动力特性和地震反应进行了分析，结果表明，横向边界约束条件对桥梁的地震反应有明显影响，设置减振装置能更好地提高结构的抗震性能：提出了阻尼消能和滞回消能减振体系的设计原则：将桥梁的纵向和横向运动分别简化为单质点和双质点动力模型，综合考虑阻尼器的减振效果和阻尼力的变化趋势，总结出粘滞阻尼器阻尼指数选择的一般规律，并提出了通过设定阻尼比确定阻尼系数的方法：建议在确定铅阻尼器临界滑移荷载时，应以常风与行车活载组合所引起的支座横向剪力为最低标准，以保证正常使用阶段行车的安全性与舒适性，但同时亦应能满足在百年大风作用和100年10％超越概率地震作用下屈服发挥消能减振作用的要求。将研究成果应用于绍嘉通道自锚式悬索桥(方案)，分析结果表明，设置纵向粘滞阻尼器使主梁的纵向位移减为纵漂体系的50％左右；在横向地震作用下，铅阻尼器对控制主梁侧向位移的效果优于粘滞阻尼器，能够有效减小伸缩缝规模，边墩墩底内力也可减为墩粱横向约束体系的50％左右。　　 ⑸完成了连续梁桥纵向消能减振振动台对比试验。理论分析和试验结果均表明，连续梁桥设置阻尼器后，一方面阻尼器可以消能，吸收输入主体结构的地震能量；另一方面由于增强了结构的阻尼，也会使输入结构的总能量增加。当阻尼器消耗的能量超过增加输入的能量时，主体结构才表现为减振；否则，结构的地震响应反而会有一定程度的放大，尤其在小震作用下时，该现象比较容易出现，设计中应注意不要盲目增加结构的阻尼。本次试验的试验结果与理论分析结果吻合较好，说明了试验的可靠性。　　 ⑹成功完成了设置减振装置的大跨度斜拉桥全桥气弹模型全方位风偏角风洞试验。量测了气弹模型的动力特性，根据试验中桥梁的风致响应，进行了多组特定风偏角工况桥梁模型无阻尼器控制与设置粘滞阻尼器的对比试验。结果表明，主梁的纵向位移主要是由主梁怪向弯曲振动引起的变形所致，纵向阻尼器可间接控制主梁跨中竖向位移响应。对正风作用下的杭州湾大桥北航道桥进行了抖振时域分析，理论分析与试验研究的各阶模态振型对结构响应的贡献一致；分析了设置粘滞阻尼器对大跨斜拉桥风致抖振的影响，结果表明，在设计风速和常规风向作用下，设置的纵向粘滞阻尼器对主梁跨中竖向抖振响应所起的减振作用较小，但在罕遇风作用下，为抗震设置的粘滞阻尼器将会对风致抖振的控制效果发挥更大的作用，但总体而言，其发挥的作用有限。基于调谐质量阻尼器(TMD)装置的工作机理，选用TMD对杭州湾大桥北航道桥主梁风致抖振进行控制，通过对TMD参数进行优化，可使抖振响应减振效果达30％左右。
作者：	徐秀丽
专业：	道路与铁道工程
导师：	黄卫
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文