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原文传递大跨双层斜拉桥地震响应分析与减震控制研究

论文题名：	大跨双层斜拉桥地震响应分析与减震控制研究
关键词：	大跨双层斜拉桥;地震响应;减震控制;时域动力分析;随机响应;铅阻尼器
摘要：	相对于同等跨度的单层斜拉桥，双层斜拉桥最直接的优点是允许通行量有效增加、节约桥址处土地资源等，并且在适当的跨度内具有良好的经济性。目前国内外已经建造了一定数量的大跨双层斜拉桥，并就其加劲梁型式和结构抗震性能开展了有关研究。本文以目前国内跨度第一的大跨双层公路斜拉桥——闵浦大桥为工程背景，主要进行了下述研究工作: 　　 (1)系统总结了大跨桥梁有限元模型建模技术以及相应等效处理方法，基于Abaqus平台建立了闵浦大桥不同精度和分析目的的三种有限元模型。结合Bathe的隐式复合时间积分法推导了非线性阻尼系统动力方程的隐式复合时间积分法迭代格式。给出基于Abaqus平台进行动力分析的流程与结合Python/Matlab进行快速数据处理方法;基于Abaqus/Python实现了大跨斜拉桥迭代调整索力获取静力初始平衡态方法;获取了脊骨梁空间模型和精细梁壳空间模型的初始平衡态与动力特性;验证了脊骨梁模型与梁壳模型的准确性。　　 (2)基于谐波叠加法编制了满足要求的单点、多点相关人工波模拟程序;针对时域内不同视波速以及在同时考虑行波效应、局部场地效应和部分相干效应的多点地震激励下，研究了大跨双层斜拉桥地震响应的特点。研究表明:低视波速对结构响应的影响存在一定的振荡性，随着视波速的增大其相关响应趋于稳定;选取合适的地震波与确定合理的视波速范围尤为重要。辅助墩距主塔越远，其墩身横桥向剪力和弯矩越大，并且横梁以下墩身剪力峰值分布均匀;全桥腹杆轴力峰值包络分布与静力作用下的分布形态基本一致，边跨上下层桥面间的腹杆轴力变化较大，尤其是墩顶附近的竖腹杆和斜腹杆。与静力工况相比，多点激励下，桥面间腹杆轴力峰值具有不同程度的增加。　　 (3)基于虚拟激励法，在Abaqus平台上实现了需考虑初始平衡态影响的大跨柔性桥梁多点随机地震激励分析流程与数据后处理方法，研究了一致与非一致两种随机激励模式下结构随机响应的特点。研究表明:视波速对主梁位移随机响应均方根（RMS）的影响不一，基本趋势是视波速越小主梁位移随机响应RMS越大;主梁横桥向、竖桥向位移以及竖桥向转角位移RMS均随视波速的增加而趋向于一致随机地震响应。由于激励功率谱沿桥长度方向在各个激励点逐渐衰减，主梁横桥向、竖桥向位移RMS沿梁长方向有所减小;并且由于边跨刚度较大，两种随机激励模式下主梁扭转位移RMS相差较小;相对于一致激励，非一致激励下主梁横向转角位移在梁端和跨中附近有所增加;非一致激励下塔柱纵向转角位移RMS小于一致激励下的相应结果，而主塔塔柱扭转位移在两种激励模式下情况相反;主塔横桥向位移分布趋势较为一致，横向转角位移几乎完全一致且均在上下横梁处出现折点。　　 (4)提出了一种有别于传统耗能模式的新型铅挤压阻尼器——扭转铅挤压阻尼器，其转角——弯矩滞回曲线接近矩形，具有良好的耗能效果;以平面应变有限元模型论证了所构造阻尼器的有效性与可行性，给出了转动弯矩输出峰值与凸缘高度的抛物线估算公式;研究表明，该阻尼器可有效减小大跨斜拉桥加劲梁的位移地震响应，但导致了主塔和辅助墩纵桥向地震内力的增加，应当引起注意。构造了一种制作简单的装配式铅剪切阻尼器，避免了灌铅工艺复杂、铅柱连接复杂等问题并通过有限元分析说明了该阻尼器耗能的有效性。　　 (5)研究了非线性粘滞阻尼器、弹性连接、非弹性连接和SMA阻尼器对大跨双层斜拉桥地震响应的减震控制效果。编制了SMA材料简化双旗型本构Fortran子程序，以SDof系统在谐波作用下的动力放大系数阐述了附加刚度对结构地震响应的影响。研究表明，非线性粘滞阻尼器可有效减小结构位移地震响应但增加了主塔内力;弹性连接、非弹性连接以及SMA阻尼器的初始刚度改变了结构的动力特性，对其地震响应的影响较大:对于半漂浮体系，较大的初始刚度有利于减小大跨桥梁的位移响应;但是对于内力响应的影响却有赖于地震特性以及安装减震装置后结构的动力特性。
作者：	焦常科
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李爱群
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文