高性能隔震支座连续梁桥性能设计方法研究

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我国是一个地震多发国。已有地震灾害表明,桥梁结构在强震作用下有可能遭受破坏。单纯依靠增强墩柱强度来提高其抗震性能,必然受到经济、美观等因素的限制。减隔震技术的发展为提升桥梁抗震性能提供了新选项,其关键在于隔震装置性能及相应设计方法。为研发新型高性能隔震效果的隔震支座及相应隔震设计方法,本文在基于高耗能、自复位、防落梁、竖向抗拉等多功能需求下,提出了一种新型隔震支座,对支座的力学性能、隔震效果、参数敏感性等进行了较系统深入的研究;并基于性能化设计理念,开展了基于位移的隔震桥梁设计方法的研究。论文的主要研究内容和成果如下:1、针对现有桥梁用隔震支座在历次震害中的缺憾及需求,提出了一种新型高性能隔震支座,并对其独有构造、隔震机理和传力过程等进行了详细分析与描述,提出了相应的简化力学模型。2、为对比新型隔震支座的隔震性能,以桥梁工程中常用的板式橡胶支座为比较对象,选取一座大跨钢-混组合梁桥为工程背景,采用非线性时程分析与多指标综合评价方法,研究了板式橡胶支座在不同橡胶剪切模量、不同支座布置方案等多种因素影响下的隔震效果,及其对水平地震力和主梁位移响应的影响规律,并得到了采用板式橡胶支座隔震时的最优方案,以作为新型支座隔震效果比较对象。3、通过确定新型支座在有限元中的模拟方法,对其在连续梁桥应用效果进行了分析研究,结果表明:采用新型支座后,结构主振型为纵向平移,改善了结构抗震性能;新型支座的滞洄曲线饱满,地震时以粘滞流体阻尼器与螺旋弹簧出力为主,滑板摩擦为辅,螺旋弹簧的设置使得该隔震支座具有良好的回复性能。4、与板式橡胶支座隔震相比,新型支座位移和最大墩底弯矩隔震效果优势明显,综合隔震效果提高了45%以上,验证了新型支座隔震性能的优越性;在此基础上,对新型支座的主要力学参数进行敏感性分析,研究了粘滞流体阻尼器阻尼系数C、螺旋弹簧刚度k对支座隔震效果的影响规律及其选取方法;最后通过改变主梁单元的质量,分析了在不同主梁质量时支座阻尼系数C的合适取值范围和取值方法。5、将隔震连续梁桥等效简化为单自由度体系,并将其地震响应分析结果与非线性时程分析结果进行了比较和验证。基于此,依据城市轨道交通结构抗震设计规范,计算获得了单自由度桥梁结构不同阻尼比下的位移谱,并进行了具体算例研究,且与非线性时程分析结果进行了对比。研究表明:等效单自由度体系计算结果与多自由度体系非线性时程分析结果相差在10%以内;分析等效弹性位移谱可知,新型支座结构体系等效阻尼比ξ宜取为0.20;依据规范建立的位移反应谱进行基于位移的设计结果具有较好的准确性,其与非线性时程分析结果相差15%左右,且发现规范的位移谱在中等周期以下偏于保守。所提出的基于位移谱的设计方法可供工程实际参考借鉴。
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