基于监测数据的大跨桥梁地震易损性研究

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大跨桥梁作为交通工程中的重要枢纽,为地区的经济文化发展做出了重大贡献,历史多次大地震灾害对交通工程,特别是桥梁结构造成了严重的破坏。因此,地震易损性研究对于大跨桥梁的安全运营有着重要意义。以往桥梁地震易损性研究中的桥型大部分是规则的连续梁桥,而对斜拉桥、悬索桥等不规则的桥型研究较少。除此之外,以往理论地震易损性研究中的数值模型完全依据设计文件建立,不能准确地描述桥梁实际结构的静动力特性。本文以南京夹江大桥为研究对象,围绕着地震易损性的主题,采用ANSYS建立初始有限元模型,根据监测数据识别得到实桥的静动力特性对初始有限元模型进行了修正,并基于结构概率地震需求分析方法对修正后的模型进行了纵桥向和横桥向的地震易损性研究。本文的主要内容以及创新点有以下几点:(1)实现了基于NexT-CMIF法对大跨桥梁的结构参数识别。通过荷载试验数据得到成桥状态下的的静载结果,包括各静载工况下的主梁挠度以及成桥空载下的吊索索力。同时利用桥梁健康监测系统得到实桥运营状态下环境振动监测数据,基于自然激励法(NexT)对监测数据进行处理得到相应的频响函数,进而分别用复模态指数函数(CMIF)和峰值拾取法识别出主跨加劲梁的竖弯模态和各个吊索索力。(2)基于pushover分析研究了桥塔的破坏机理和易损截面的损伤指标,并对精细化桥塔模型进行了简化。根据设计图纸用ANSYS建立了南京夹江大桥初始有限元模型,采用实体单元建立精细化桥塔模型,并通过pushover分析得到桥塔的破坏模式和损伤指标。同时考虑到地震动力时程分析的计算时间及收敛问题,结合pushover分析的结果,用梁单元建立了桥塔简化模型。(3)基于联合静动力修正方法对南京夹江大桥初始有限元模型进行修正。由于理论建模采用的结构尺寸、材料参数和边界条件采取了适当的简化,初始有限元模型与实桥结构之间存在较大误差。为建立一个满足结构精度要求和符合实际结构静动力特性的有限元模型,本文采用参数灵敏度分析确定了待修正参数,并根据实桥测试识别得到的静动力特性设立目标函数,结合ANSYS的优化分析功能,得到修正后的有限元模型。(4)提出了基于有限元修正的结构概率地震易损性分析方法,并根据修正后有限元模型分别进行了横桥向和纵桥向的地震易损性分析。本文依据南京夹江大桥的场地条件和抗震设防要求,从PEER中心提供的地震波数据库中选取了50条地震波,确定谱加速度SA作为地震动参数强度指标。对修正后的有限元模型进行纵桥向和横桥向的地震时程分析,采用结构概率地震需求易损性分析方法得到南京夹江桥支座及桥塔的纵桥向和横桥向易损性曲线。验证了纵飘体系的自锚式悬索桥的纵桥向振动和横桥向振动之间基本不耦合,并发现在地震作用下支座比桥塔更易损伤破坏,且12号支座在横向地震作用下最容易损坏,其次分别是7号、11号、8号、9号支座。
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