跨断层大跨铁路混合梁斜拉桥地震响应分析

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受断层错动产生的永久地面位移影响,桥梁在跨断层地震动作用下会显著加大结构地震响应。在既往的研究中,国内外学者通过大量理论分析、数值模拟及相关实验对桥梁在常规远场与近断层下地震响应、抗震措施等开展了深入研究,取得了丰硕的成果。然而对桥梁跨越断层研究较少,且研究内容主要集中在正、逆及走滑断层地震动作用下常规中小跨径简支梁、连续梁地震响应与结构震害等方面。众所周知,大跨径斜拉桥作为线路中控制性工程,其结构形式复杂、跨度较大,且斜滑断层包含了正、逆断层及走滑断层两者地震动特点,即上盘与竖向效应、滑冲效应与破裂方向型效应。然而这些研究中并未对大跨径桥梁跨越斜滑断层下地震动响应进行系统的分析。本文以一座实际工程为背景的大跨径混合梁铁路斜拉桥(主跨448m)为研究对象,全面地研究了桥梁在跨越斜滑断层下地震动响应。首先依据Chi-Chi地震中TCU052记录的地震动合成了桥梁跨越断层横桥向具有永久地面位移时程记录,通过在横桥向输入大小相等、方向相反的合成地震动以模拟断层错动。依据桥梁设计参数建立CSB与Midas Civil全桥有限元模型(弹性状态),作为结构动力分析的前提,首先对关键施工阶段中结构的线形、内力及应力变化情况进行了分析,以确保在静荷载作用下结构受力合理,处于安全状态,然后对比了两种软件静力计算结果,以验证模型的正确性,最后分析了隔震与非隔震体系桥梁的自振特性。通过选取不同断层穿越位置(从主跨到边跨,共3种工况)、不同穿越角度(15~90°,共6种工况)、两种地震动输入模式(多点位移输入与多点加速度输入)、隔震与非隔震体系桥梁以及远场与近、跨断层下桥梁地震响应等多种分析工况,对桥梁在各工况下的地震响应进行了数值模拟。研究结果表明:(1)Mavroeidis方法能较好地模拟跨断层脉冲型地震时程;(2)在各关键施工阶段中,桥梁在静荷载作用下始终处于安全状态,满足设计要求,两种软件静力计算结果较为接近,验证了所建模型正确性;(3)隔震体系与非隔震体系桥梁基本周期均较大,但隔震体系桥梁各阶周期均比非隔震体系大;(4)当断层垂直地穿越桥梁主跨,结构内力与位移响应最优;(5)多点位移较于多点加速度输入结果更合理;(6)跨断层下,隔震体系桥梁较非隔震体系桥梁内力响应有所减小,但位移却有所增大,这是隔震支座发生屈服所导致;(7)跨断层斜拉桥地震响应远大于远场与近断层。
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