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深水悬臂桥墩动力特性及地震响应研究
作 者: 柏晓东
导 师: 郭安薪
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 防灾减灾工程与防护工程
关键词: 深水桥墩 势流理论 Morison方程 动力特性 地震响应
分类号: U441.3
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
快速的经济和社会发展需要一个便捷的交通运输网,跨越大面积水域的深水桥梁是其中重要组成部分;设计该类型桥梁时须考虑环境荷载的复杂性及相应的计算方法。深水中的桥梁在地震作用下一旦发生损伤或破坏,其加固或改造将是十分困难的,已有的研究表明桥墩周围水的存在会给结构的动力特性带来影响,且在地震作用下会对桥墩产生较大的动力荷载作用。因此如何合理地评定深水桥墩周围水对结构的影响是本课题主要的目标。本文对无入射波情形下深水悬臂桥墩的动力特性和地震响应进行了分析,主要内容及结论包括:(1)基于不考虑表面波效应的势流理论和Morison方程对不同高度和水深的悬臂等截面圆柱桥墩进行系统的动力分析,比较了两种方法的差异。结果表明随着水深的增大桥墩-水体系自振频率减小,而满水状态下随着桥墩高度的增大,水体对结构自振频率的影响增大;Morison方程中的速度力项在计算地震动响应响应时可以保守地忽略。(2)利用ADINA中的势流体单元对一已建成的深水高墩建模,桥梁上部结构对桥墩的影响以墩顶集中质量的形式体现,分别对不同水深条件下桥墩-水体系的动力特性和地震动响应进行了数值求解;同时为了检验Morison方程在深水桥墩动力分析中的有效性,将基于忽略速度力项的Morison方程的计算结果与基于势流体的结果进行了比较。研究表明水深对墩顶加速度的影响大于对墩顶位移的影响,底剪力受水深的影响比弯矩大,与基于势流体的结果相比忽略速度项的Morison方程的计算结果相对保守;考虑桥梁上部结构的影响,结构的响应会不同程度地减小。(3)基于忽略速度项的Morison方程对深水桥墩进行罕遇地震作用下的非线性动力分析,认为弹塑性状态下由于考虑结构非线性(材料和几何非线性)的发展,水深对桥墩结构地震响应的影响与弹性状态下有较大差别。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-9 第1章 绪论 9-19 1.1 课题背景及研究的目的及意义 9-10 1.2 水与桥墩相互作用研究现状 10-17 1.2.1 解析法 11-13 1.2.2 数值方法 13 1.2.3 半解析半经验的Morison 方程 13-14 1.2.4 影响水与桥墩相互作用的因素 14-17 1.3 本文的主要研究内容 17-19 第2章 深水悬臂桥墩动力特性的一般分析 19-38 2.1 引言 19-20 2.2 深水桥墩动力反应特性的理论研究简介 20-28 2.2.1 势流理论简介 20-27 2.2.2 半解析半经验Morison 方程 27-28 2.3 基于势流理论和Morison 方程的深水桥墩动力特性 28-33 2.3.1 基于势流理论和Morison 方程的计算模型简介 28-29 2.3.2 基于势流理论的深水桥墩动力特性 29-31 2.3.3 势流理论与Morison 方程计算深水桥墩动力特性的结果比较 31-33 2.4 简谐地面运动下的深水桥墩动力响应分析 33-36 2.4.1 基于Morison 方程的深水桥墩动力响应分析 33-35 2.4.2 Morison 方程速度力系数Cd 的讨论 35-36 2.4.3 基于Morison 方程和势流理论的结构响应比较 36 2.5 本章小结 36-38 第3章 弹性状态下深水悬臂桥墩地震响应分析 38-57 3.1 引言 38 3.2 ADINA 有限元软件和模型建立 38-41 3.2.1 ADINA 简介 38-39 3.2.2 基于势流体的ADINA 有限元模型 39-40 3.2.3 基于Morison 方程的ADINA 有限元模型 40-41 3.3 模态分析结果 41-43 3.4 地震动输入及动力分析相关设置 43-45 3.4.1 地震动选取和输入方法 43-44 3.4.2 流固耦合体系的静力分析 44-45 3.4.3 阻尼的确定 45 3.5 地震响应结果分析 45-55 3.5.1 水深比h/H=0.8 时的地震响应 45-52 3.5.2 水深比h/H 对结构地震响应的影响 52-55 3.6 本章小结 55-57 第4章 弹塑性状态下深水悬臂桥墩地震响应分析 57-71 4.1 引言 57 4.2 OpenSees 有限元模型简介 57-61 4.2.1 桥墩模型简介 57-58 4.2.2 OpenSees 桥墩模型的材料本构选取 58-61 4.2.3 纤维截面模型 61 4.2.4 单元的建立和Morison 动水附加质量的考虑 61 4.3 动力分析参数设置 61-62 4.4 地震响应分析及结果 62-70 4.4.1 弹塑性状态下水深比h/H=0.8 时的结构地震响应 62-68 4.4.2 弹塑性状态下水深比h/H 对结构地震响应的影响 68-69 4.4.3 水深比h/H 对桥墩弹性和弹塑性地震响应影响的比较 69-70 4.5 本章小结 70-71 结论 71-72 参考文献 72-76 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 76-78 致谢 78
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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学 > 桥梁振动及减振设备
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