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原文传递下承式刚架系杆拱桥的抗震设计方法及试验研究

论文题名：	下承式刚架系杆拱桥的抗震设计方法及试验研究
关键词：	下承式刚架;系杆拱桥;抗震设计;动力特性;被动分肢墩;拟静力试验
摘要：	下承式刚架系杆拱桥是我国在系杆拱桥基础上发展起来的新桥式。它是由墩柱、拱肋、系杆、吊杆和桥面系梁板等协同工作的组合结构桥梁，以拱肋与墩柱刚结、系杆承受拱脚水平推力为主要受力特征。由于其具有良好的结构性能、优秀的跨越能力和方便的施工条件，在十几年的发展历程中，已建造了上百座，最大跨度达到280m，成为我国城市桥梁建设中的主要桥式之一，是城市交通生命线中的重要组成部分。然而，目前在下承式刚架系杆拱桥的抗震设计和研究上仍存有许多问题，具体表现为：抗震设计规范滞后，现行的国内桥梁抗震规范在抗震设计思想和内容上都已不能满足工程设计的需要。对墩柱的抗震性能及其影响研究不足，在既有研究成果中，研究墩柱对下承式刚架系杆拱桥抗震性能影响的十分罕见，对低矮墩柱的抗震设计研究也十分缺乏。抗震手段单一，在无法采用减隔震支座的情况下，缺少对降低结构地震反应的技术措施研究。对伸缩缝两侧结构抗震性能的相互影响和结构在强余震作用下的抗震性能缺乏研究。针对上述问题，本论文从两大方面对下承式刚架系杆拱桥的抗震性能进行理论和试验研究：一是对下承式刚架系杆拱桥的自身抗震性能进行研究。研究墩柱刚度对其动力特性的影响，寻求既能改善墩柱抗震性能又能降低结构地震反应的新型墩柱抗震设计方法，探索性地对强余震作用下结构的抗震性能进行分析研究。二是从整个线路的抗震性能出发，研究下承式刚架系杆拱桥与引桥间的纵向碰撞对结构抗震性能的影响。分析影响碰撞的主要因素，寻找减轻碰撞和避免落梁的技术措施。主要研究内容如下： 1．下承式刚架系杆拱桥的动力特性及参数分析分析下承式刚架系杆拱桥的自振频率及振型特点，讨论拱肋倾角、矢跨比、横撑刚度等上部结构参数对结构动力特性的影响。鉴于墩柱刚度是影响下承式刚架系杆拱桥动力特性的重要参数，文中重点研究墩柱刚度对下承式刚架系杆拱桥自振特性的影响，并总结出一些可用于结构抗震设计的规律性结论。 2．被动分肢墩的抗震设计思路及理论分析在下承式刚架系杆拱桥中，墩柱的抗震性能是决定全桥抗震性能的一个关键因素。针对在低矮墩柱延性设计中面临的强度、刚度、延性和耗能难以统一协调的困难，从被动控制的抗震思想出发，提出一种具有多重抗震防线，能在地震中有效调整结构刚度，改善结构地震响应的新型墩柱一被动分肢墩的抗震设计方法；阐述被动分肢墩的结构组成和设计原则：分析被动分肢墩的延性并给出延性计算方法；分析被动分肢墩的受力机理，给出极限承载力的计算方法；利用反应谱法分析单自由度被动分肢墩的抗震性能。 3．采用被动分肢墩的刚架系杆拱桥抗震试验研究设计一榀以被动分肢墩为墩柱的下承式刚架系杆拱桥小结构模型，并进行拟静力抗震试验，作为对比，同时还进行一榀采用普通墩柱的下承式刚架系杆拱桥模型对比试验，以验证被动分肢墩良好的延性和耗能能力，是一种抗震性能优良的新型墩柱的结论。研究内容包括：研究被动分肢墩在地震荷载下的破坏机制，了解和验证被动分肢墩能否按照预期目标实现破坏机制，达到提高结构抗震性能的目的；检验被动分肢墩的延性、耗能和承载力，并与理论计算相比较；建立被动分肢墩的恢复力模型，分析其强度和刚度的退化特点；研究被动分肢墩对下承式刚架系杆拱桥延性、耗能能力和承载力的影响，并与普通墩柱的影响进行比较。 4．下承式刚架系杆拱桥的地震反应分析结合算例分析下承式刚架系杆拱桥在单方向地震输入、水平地震与竖向地震的组合输入以及非一致激励(行波效应)下的地震反应，总结了拱肋、墩柱在不同地震输入下的反应特点。对比分析被动分肢墩和普通墩柱对下承式刚架系杆拱桥地震反应的影响，结果表明：在纵桥向地震输入、纵桥向与竖向地震组合输入和行波效应下，采用被动分肢墩的下承式刚架系杆拱桥地震反应明显减小，在其它方向的地震输入下，与采用普通墩柱的结构地震反应相当。根据结构的地震反应，给出下承式刚架系杆拱桥的抗震设计建议。 5．下承式刚架系杆拱桥与引桥在地震中的碰撞效应研究以下承式刚架系杆拱桥实桥为背景，探索性地利用两个单自由度简化模型对下承式刚架系杆拱桥与其引桥在伸缩缝处的纵向碰撞进行研究。为了对碰撞过程中的能量损耗进行正确的模拟，碰撞单元采用线粘弹性碰撞单元。在研究纵向碰撞对伸缩缝两侧结构抗震性能和落梁震害的影响后，还分析周期比、伸缩缝间距对碰撞效应的影响，探讨防落梁的措施及其对碰撞效应的影响。 6．强余震对下承式刚架系杆拱桥的抗震性能影响研究从结构抗震的角度，给出影响结构抗震性能的狭义强余震定义，利用既有研究成果初步总结强余震在我国的分布规律。利用既有的强震记录，研究主震和强余震在震级和地震动参数间的统计关系，利用主震记录确定强余震地震动的幅值、持时和频谱特征。探索性地研究结构在强余震作用下的地震反应，评价强余震对钢筋混凝土墩柱的损伤和破坏。
作者：	丁文胜
专业：	结构工程
导师：	吕志涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文