自锚式斜拉—悬索协作体系桥的Pushover分析及减隔震研究

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自锚式斜拉-悬索协作体系桥是一种新型的桥梁结构形式,不仅具备了传统的斜拉-悬索协作体系桥的诸多优点,而且由于取消了庞大的锚碇,更增加了其在不良地质环境条件下的竞争力,目前已被工程界采纳。但从目前已有的文献看,对这种桥型动力性能的研究还很少见,且主要以非线性时程分析为主。但是由于时程分析技术复杂、工作量大、结果处理繁杂,而且分析结果的准确性很大程度上依赖于所选择的输入地面运动情况,因此在实际工程设计中并没有得到广泛的应用。而Pushover分析方法概念明了,计算简便,能有效地评估结构的抗震性能,近年来逐渐受到结构工程师们的关注。但传统的Pushover方法皆采用固定的侧向荷载分布模式,没有考虑高阶振型的影响以及结构屈服后振动特性的改变,只适用于桥墩高度较低的梁式桥,不能对高阶振型影响显著桥梁进行抗震性能评价。为了克服这些局限性,结合以自锚式斜拉一悬索协作体系桥为研究主体的研究课题:交通部西部交通建设科技项目“斜拉一悬索协作体系桥梁的研究”,以已建的庄河建设大桥和大连湾跨海大桥设计方案为算例,对该新型结构体系的静力弹塑性分析和减隔震等动力问题进行了深入的研究,主要工作如下:1.在动力学理论的基础上,对各阶振型完全解耦的MPA方法进行改进,提出了部分两阶段荷载模式的Pushover分析方法(PSMPA法)。通过单墩模型和受高阶振型影响的连续梁全桥模型的算例,对典型地震动输入下改进的部分两阶段Pushover方法、传统的Pushover分析方法及非线性时程分析方法进行对比分析;验证了提出的改进部分两阶段荷载模式的合理性和准确性,不论是对单墩模型还是全桥模型分析,改进的部分两阶段模态Pushover方法可以考虑高阶振型的影响以及结构屈服后振动特性的改变和内力重分配问题,其计算结果均比倒三角分布和均布荷载模式更接近时程分析的结果;尤其是受高阶振型影响明显的跨度较大的连续梁全桥模型的计算,改进的部分两阶段模态Pushover方法更显示出其优越性,计算精度高,误差小。2.自锚式斜拉-悬索协作体系桥为复杂的多自由度结构体系,其在地震中的反应受高阶振型影响显著,等效地震力的分布模式十分复杂,传统的基于力的Pushover方法无法对协作体系桥纵桥向进行静力弹塑性分析。提出了基于位移的改进模态Pushover方法(简称DSMPA法),利用位移模式对结构进行Pushover分析,通过对一自锚式斜拉-悬索协作体系桥算例纵桥向地震反应的研究,验证该方法能真实的反应结构在地震作用下的动力特性,计算结果与动力时程分析的结果吻合的较好。同时,由于和采用双控方法确定参与计算振型数的结合,计算过程也大为简化。3.引入地震反应位移修正系数的概念,提出了能够考虑高振型影响及结构屈服后振型形状向量改变的目标位移计算方法(IMP法)。对自锚式斜拉-悬索协作体系桥算例,采用了四种不同的目标位移计算方法预测结构纵向地震作用下的目标位移,结果与非线性时程分析相比,改进方法(MP)的结果与时程分析结果最为接近,能力谱方法稍差,等效单自由度体系法预测值偏小;等效位移系数法的预测值偏离程度最大。通过考察三个跨径不同的协作体系桥,采用四种目标位移计算方法预测结构的目标位移,根据计算结果,给出了目标位移修正系数的参考值,从而为该桥型应用Pushover分析方法来确定结构的非线性地震响应提供了依据和参考。4.基于弹塑性分析结果,首先采用三种铅芯橡胶支座布置方案对大跨度自锚式斜拉-悬索协作体系桥进行了多维地震作用下的隔震分析;并在此三种铅芯橡胶支座布置方案基础上,在纵向地震输入情况下,对协作体系桥又加入粘滞阻尼器的耗能减震分析;粘滞阻尼器的设置方式采用三种工况:1)仅边墩与加劲梁之间设置阻尼器;2)边墩和主塔均与加劲梁之间设置阻尼器;3)仅主塔与加劲梁之间设置阻尼器。分析结果表明,与仅采用隔震支座的方案相比较可以看出,采用铅芯橡胶支座与粘滞阻尼器的混合振动控制对于控制节点位移和控制截面的内力的降低有更加明显的效果。5.基于模糊决策理论,对大跨度自锚式斜拉-悬索协作体系桥的动力减隔震模型方案进行了多层多目标模糊优选,采用二元比较论解决了定性指标的量化问题,区分了“重要性”和“优越性”的概念;将模糊决策的方法与工程实践相结合,基于第四章自锚式斜拉-悬索协作体系桥算例的动力减隔震模型弹塑性分析结果,提出了五种方案进行多目标多层次模糊优选,比较分析认为边墩、主塔下横梁与加劲梁间均设置铅芯橡胶支座,主塔与加劲梁之间设置阻尼器相结合的方案相对合理,该方法为实际工程概念设计阶段的选型提供了借鉴和参考。
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