多振型组合的钢管混凝土拱桥Pushover分析

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钢管混凝土拱桥的抗震性能一直备受关注,本文以基于结构性能的抗震设计理念为应用背景,对钢管混凝土拱桥进行研究。目前基于结构性能的抗震设计理念分析主要采用两种方法:非线性时程分析和静力弹塑性分析(Pushover)。时程分析虽然是较精细分析方法,但对地震动记录非常敏感且计算量大、耗时多;然而,Pushover方法因为简单有效而成为基于性能设计的热点课题,该方法可以避免非线性时程分析的复杂性和不确定性。本文尝试将Pushover分析方法应用于钢管混凝土拱桥的抗震性能评估,对促进基于性能的桥梁结构设计和评估的研究与实践,有着重要的理论价值和现实意义。本文以实际工程潮白河大桥为研究对象,首先建立了该钢管混凝土拱桥的空间有限元分析模型,并对其进行了模态分析,获得了前60阶模态参数,为进一步的Pushover分析准备数据。之后,研究分析了拱桥Pushover分析方法的基本原理、基本假定、影响因素以及传统的Pushover分析方法。与传统方法不同,本文中直接获得等效单自由度体系equivalent-single-degree-of-freedom(ESDOF)的恢复力Q与位移x,直接建立ESDOF的能力曲线,从而既实现了三维加载模式,又符合理论推导。其次,基于拱桥Pushover分析方法理论,选取按振型Φ加载的方式加载,并考虑高阶振型的影响,按横向振动有效质量系数和达到90%以上为原则选取振型向量Φ1和Φ5加载,直接获得相应的等效单自由度体系ESDOF1和ESDOF5。对原结构度多自由度体系muti-degree-of-freedom(MDOF)和ESDOF1、ESDOF5分别进行了天津地震动、EL Centro地震动和阪神地震动这三条地震动下的弹塑性时程分析,将MDOF分别与考虑多振型组合的ESDOF、以及仅考虑振型1的ESDOF的地震响应峰值进行对比分析。结果表明考虑多振型组合的Pushover分析方法与原结构MDOF响应峰值吻合的较好,误差都在20%以下;然而不考虑多振型组合的Pushover分析方法与原结构MDOF吻合的很差,误差都在20%以上,不满足实际工程精度要求,从而验证了基于多振型组合的Pushover分析的钢管混凝土拱桥抗震性能评估方法的可行性,且精度满足实际工程需求。最后,将Pushover分析方法和增量动力分析IDA结合起来,尝试用多个等效单自由度体系的恢复力模型近似代替原结构进行IDA分析,这样不仅计算代价小,而且结果吻合较好,误差都在20%以内,将考虑多振型组合的Pushover分析方法与IDA方法结合在一起,从而实现了对钢管混凝土拱桥全面的抗震性能评估,对基于结构性能的桥梁设计和评估的研究与实践,有一定的参考意义。
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