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我国西南地区由于地形的影响,上承式拱桥已经作为桥梁的主要桥型,近年来大跨度拱桥已建和在建项目越来越多,拱桥在交通工程中发挥着至关重要的作用,如果发生破坏,将会造成严重后果。目前对上承式拱桥抗震的研究以针对主拱圈的地震破坏为主,很少有关于拱上建筑的抗震研究,在拱桥跨径不是很大的情况下,拱上建筑的抗震问题可能并不突出,但跨径增大后,拱上建筑跨径和高度都将显著增大,抗震问题可能会成为桥梁设计的主要矛盾。空腹式拱桥拱上建筑的桥墩呈现出高矮不一的特征,存在和高低墩梁桥类似的抗震问题,目前学者对梁桥地震响应的研究成果十分丰富,本文希望通过分析对比拱上建筑与相同结构的梁桥的地震响应和减震控制方案的区别,把目前有关梁桥抗震探究的诸多成果应用到拱上建筑上,为我国拱桥抗震、减震设计提供理论依据和参考。本文以大跨上承式钢筋混凝土拱桥为例,围绕大跨度拱桥地震反应特性及减震控制技术,基于有限元计算软件SAP2000,对拱上建筑的地震响应特性及减震控制方案进行分析,主要研究内容与结论如下:
(1)以某上承式钢筋混凝土拱桥为工程背景,基于SAP2000分析软件建立全桥有限元分析模型对其进行非线性时程分析,在国内外研究成果的基础上,明确大跨上承式钢筋混凝土拱桥的震响应特征。通过提取拱上建筑桥墩基底的加速度时程响应并进行功率谱变换,分析主拱圈弹性滤波后桥墩基底的加速度能量分布特征;通过与地震波自身功率谱的对比,评价主拱圈对拱上建筑的滤波效应;再分别从加速度、位移等角度分析了梁式拱上建筑和相同形式的梁桥的地震响应的区别,讨论主拱圈对拱上建筑的“弹性滤波”的影响。研究发现:拱圈的弹性滤波削减了输入到拱上建筑中的地震动的中频和高频的振动能量,放大了低频段内的能量,且对拱顶附近拱上建筑的影响远大于拱脚,弹性滤波使桥墩更易进入塑性阶段,桥墩顶部位移和加速度、支座位移以及梁体位移均大于相同结构的连续梁。另外拱圈阻尼的存在和较大的刚度能够降低滤波效应的影响。
(2)基于易损性的理论分析法,根据大跨梁式拱上建筑的地震破坏特征,利用SAP2000软件建立拱桥有限元模型并进行地震响应分析,规定拱上立柱、支座和主梁构件的地震破坏状态和损伤指标,结合各构件的地震反应函数计算其概率密度,最后求取各构件超越既定损伤指标的超越概率,得出拱上立柱、支座和主梁的易损性曲线;并用相同的方法计算与拱上建筑结构相同的梁桥构件的易损性曲线并与之比较,最后通过是否考虑不同构件之间的相关性,采用一阶和二阶界限法计算拱上建筑与相同结构的梁桥的系统易损性曲线。研究表明当桥墩较高时(拱脚位置),拱上立柱与相同结构的梁桥桥墩的损伤概率相差不大,随着桥墩高度降低,即拱上立柱从拱脚位置到拱顶位置,其损伤概率明显大于相同结构的梁桥;当靠近拱顶时,考虑主拱圈滤波效应和阻尼的影响,拱圈的阻尼消耗了大部分能量,经过拱圈后传递到支座的能量小于梁桥支座,所以梁桥支座的损伤概率要大于拱上支座;因为拱圈的阻尼消耗了大部分能量,地震作用下主梁基本不会发生破坏,梁桥的系统易损性高于拱上建筑,系统易损性强于各构件易损性,用各构件的易损性来评价结构是偏不安全的。
(3)本文通过布置粘滞阻尼器和调整支座刚度两种方案对拱上建筑的进行减震控制研究,分析得到了最优化的阻尼器参数,并从位移和内力响应的方面,分析了阻尼器对拱上建筑的减震控制作用。然后基于目前对山区简支梁桥的支座调整方案,分析比较了拱上建筑与相同结构的梁桥支座调整方案的区别,对拱上建筑的支座调整方案进行优化并提出相关建议。研究发现:阻尼器的施加能有效地减小墩梁相对位移,但构件内力会有不同程度的增加。拱上建筑的支座刚度布置方案原则上通过增大高墩支座刚度,减小矮墩支座刚度的方式。但是拱上建筑支座的布置方案与不规则梁桥存在不同,应在高墩处设置高于梁桥的支座刚度,在矮墩处设置与梁桥近似等值或者较小的刚度值。
(1)以某上承式钢筋混凝土拱桥为工程背景,基于SAP2000分析软件建立全桥有限元分析模型对其进行非线性时程分析,在国内外研究成果的基础上,明确大跨上承式钢筋混凝土拱桥的震响应特征。通过提取拱上建筑桥墩基底的加速度时程响应并进行功率谱变换,分析主拱圈弹性滤波后桥墩基底的加速度能量分布特征;通过与地震波自身功率谱的对比,评价主拱圈对拱上建筑的滤波效应;再分别从加速度、位移等角度分析了梁式拱上建筑和相同形式的梁桥的地震响应的区别,讨论主拱圈对拱上建筑的“弹性滤波”的影响。研究发现:拱圈的弹性滤波削减了输入到拱上建筑中的地震动的中频和高频的振动能量,放大了低频段内的能量,且对拱顶附近拱上建筑的影响远大于拱脚,弹性滤波使桥墩更易进入塑性阶段,桥墩顶部位移和加速度、支座位移以及梁体位移均大于相同结构的连续梁。另外拱圈阻尼的存在和较大的刚度能够降低滤波效应的影响。
(2)基于易损性的理论分析法,根据大跨梁式拱上建筑的地震破坏特征,利用SAP2000软件建立拱桥有限元模型并进行地震响应分析,规定拱上立柱、支座和主梁构件的地震破坏状态和损伤指标,结合各构件的地震反应函数计算其概率密度,最后求取各构件超越既定损伤指标的超越概率,得出拱上立柱、支座和主梁的易损性曲线;并用相同的方法计算与拱上建筑结构相同的梁桥构件的易损性曲线并与之比较,最后通过是否考虑不同构件之间的相关性,采用一阶和二阶界限法计算拱上建筑与相同结构的梁桥的系统易损性曲线。研究表明当桥墩较高时(拱脚位置),拱上立柱与相同结构的梁桥桥墩的损伤概率相差不大,随着桥墩高度降低,即拱上立柱从拱脚位置到拱顶位置,其损伤概率明显大于相同结构的梁桥;当靠近拱顶时,考虑主拱圈滤波效应和阻尼的影响,拱圈的阻尼消耗了大部分能量,经过拱圈后传递到支座的能量小于梁桥支座,所以梁桥支座的损伤概率要大于拱上支座;因为拱圈的阻尼消耗了大部分能量,地震作用下主梁基本不会发生破坏,梁桥的系统易损性高于拱上建筑,系统易损性强于各构件易损性,用各构件的易损性来评价结构是偏不安全的。
(3)本文通过布置粘滞阻尼器和调整支座刚度两种方案对拱上建筑的进行减震控制研究,分析得到了最优化的阻尼器参数,并从位移和内力响应的方面,分析了阻尼器对拱上建筑的减震控制作用。然后基于目前对山区简支梁桥的支座调整方案,分析比较了拱上建筑与相同结构的梁桥支座调整方案的区别,对拱上建筑的支座调整方案进行优化并提出相关建议。研究发现:阻尼器的施加能有效地减小墩梁相对位移,但构件内力会有不同程度的增加。拱上建筑的支座刚度布置方案原则上通过增大高墩支座刚度,减小矮墩支座刚度的方式。但是拱上建筑支座的布置方案与不规则梁桥存在不同,应在高墩处设置高于梁桥的支座刚度,在矮墩处设置与梁桥近似等值或者较小的刚度值。