基于反应谱修正的柔性桥梁长周期地震动响应及减震研究

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目前,国内外桥梁抗震及减隔震设计主要以普通地震动为分析依据,长周期地震动的影响常被忽视。长周期地震动持时长、能量集中在低频区域,对柔性桥梁地震响应的影响较为剧烈。桥梁规范反应谱主要由普通地震动记录统计得到,并未特别考虑长周期地震动的影响,对柔性桥梁则不太适用。另外,规范与实际地震动的拟速度反应谱、相对位移反应谱在长周期段谱值特性存在显著差异,规范反应谱谱值严重失真。
  考虑到长周期地震动的影响和规范反应谱的缺陷,本文对桥梁规范反应谱长周期段进行修正,得出同时适用常规桥梁和柔性桥梁抗震设计的修正反应谱。另外,本文以实际柔性桥梁进行反应谱验证和长周期地震响应及抗震减震分析,主要研究内容如下:
  (1)本文选取包含长周期地震动的各类场地强震记录,并统计得到实际平均反应谱,将规范设计反应谱长周期段与实际平均反应谱对比并进行拟合修正,提出修正反应谱计算公式,并确定反应谱长周期特性参数和临界周期的取值。
  (2)考虑到柔性桥梁响应对长周期地震动较为敏感,本文以高墩连续刚构桥和大跨度混合梁斜拉桥两种长周期结构为工程依托,建立CSiBridge动力分析有限元模型,分别对其进行规范、修正反应谱分析,普通、长周期地震动时程分析,计算其地震响应并对比验证修正反应谱的可靠性。
  (3)考虑到高墩连续刚构桥主墩在E2地震作用下可能进入弹塑性或塑性状态,导致弹性抗震设计理论不适用。本文在高墩连续刚构桥主墩设置纤维塑性铰,进行以普通、长周期地震动为激励的E2地震弹塑性时程分析,利用延性抗震原理对桥梁抗震性能作出合理评价。
  (4)考虑到大跨度斜拉桥在长周期地震动激励下响应往往较大,本文采用Maxwell模型来模拟粘滞阻尼器对结构进行减震分析。通过设置阻尼器参数工况,本文分析斜拉桥长周期地震响应变化规律,以阻尼器参数为优化变量,建立优化目标函数和响应面函数,寻求粘滞阻尼器最优参数组合以达最佳减震效果。
  通过以上研究分析,本文得出主要结论如下:
  (1)修正反应谱能较好反映地震动平均反应谱的统计规律,其长周期段与地震动平均反应谱谱值最为接近,修正效果良好,而规范反应谱长周期段谱值严重失真且过于保守。
  (2)高墩连续刚构桥和大跨度混合梁斜拉桥在修正反应谱下的地震响应比规范反应谱大,抗震设计时更保守偏安全。与长周期地震动时程响应相比,结构在规范反应谱下的最大地震响应偏小,而在修正反应谱下的最大响应值达到最大且偏安全,验证了修正反应谱的可靠性。同时,修正反应谱可为斜拉桥的初步分析提供参考,便于与时程分析结果相互校核。
  (3)当高墩连续刚构桥主墩设置塑性铰后,主墩顺桥向位移和弯矩最大响应显著降低,说明塑性铰有利于桥梁延性抗震。主墩截面滞回效应在工况一下较为明显,在工况二下较为轻微,但主墩最大弯矩均小于屈服弯矩仍处于弹塑性或轻微弹塑性状态,说明在普通、长周期地震动作用下桥梁抗震性能良好。
  (4)斜拉桥长周期地震响应粘滞阻尼器减震参数优化得出的最优参数为:C=1000kN·(m/s)-0.5773,a=0.5773。在长周期地震动激励下,塔顶和梁端纵向位移分别减小81.6%和94.6%,塔底剪力增大94.5%,而塔底弯矩减小12.2%,此时结构响应达到最优。
  本文创新点主要如下:
  (1)本文提出以长周期地震动发生频率为概率,考虑长周期地震动的因素对桥梁规范设计反应谱长周期段进行修正,可应用于柔性桥梁的抗震设计和提供参考。
  (2)本文提出对反应谱长周期段衰减指数进行线性插值的修正方法。
  (3)本文提出长周期地震动输入峰值加速度调整方法,并引入长周期地震动反应谱长周期段谱值放大系数α这一参数,且统计得出α值建议区间。
  
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