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强烈地震下高墩曲线桥的碰撞效应研究

作　者: 俱海蕾
导　师: 李青宁
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 高墩曲线桥动力时程分析碰撞效应接触单元防碰撞措施
分类号: U442.55
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在强烈地震作用下，若伸缩缝两侧的上部结构发生碰撞，除了会导致局部梁体间的碰撞损伤以外，巨大的碰撞力还可能导致支座破坏，缝两侧过大的相对位移会造成破坏性极强的落梁震害，严重影响整个桥梁结构体系的抗震能力。目前，国内外对于桥梁伸缩缝碰撞研究还较少，尤其对于高墩曲线梁桥，自重会对桥墩产生横向弯矩，更易出现碰撞问题，且碰撞方向具有不确定性，碰撞行为更为复杂。所以，值得深入研究临梁缝间发生碰撞的作用机理，影响因素及其对整个桥梁体系抗震性能的影响。本文通过震害调研和理论分析，探讨了高墩曲线桥的碰撞损伤现象和破坏特性、碰撞试验研究进展、模拟碰撞的方法、避免或减轻碰撞危害以及提高抗震性能的措施等。讨论了高墩曲线桥动力模型的建立及需注意的一些问题，包括支座的模拟，伸缩缝处碰撞单元及其非线性性质的模拟，地震波的选取和输入最不利方向等。研究了不同墩高、不同曲率半径以及高墩中系梁的设置等对结构自振特性的影响及规律。发现随着曲率半径的减小，结构的自振频率增大；桥梁动力性能与桥墩刚度密切相关，桥墩刚度增大，桥梁基本周期变小，地震反应增大；高墩桥横桥向的稳定性较差，为保证墩的稳定性，常增加系梁数，但随之振型频率会增大，地震作用增大，反而不利于桥梁抗震，所以系梁的设置要同时考虑侧向稳定和整体抗震两个方面，协调优化。建立了高墩曲线桥两联间的碰撞分析模型。采用时程分析法，研究强烈地震下，伸缩缝两侧的临联主梁之间因碰撞而引起的内力、位移及其变化规律。对考虑与不考虑碰撞效应时高墩曲线桥的地震响应（如梁体位移、墩顶位移，墩底剪力和弯矩等）进行对比分析，讨论碰撞对整个结构产生的作用。就墩高、曲率半径、伸缩缝间隙和临梁周期比等参数对碰撞响应的影响规律进行分析；讨论了产生碰撞的最不利情况。研究发现，在临联的碰撞作用下，墩底的剪力值稍有减小，而弯矩值则呈增大趋势，因此,桥墩很可能因为碰撞的作用而导致发生弯曲破坏；随着墩高的增加，碰撞力及碰撞次数均有所增大，但同时，高墩又偏柔性，较有利于延性抗震；曲线桥的曲率半径越小，碰撞次数会增加，而碰撞强度会减小；两边梁体自振周期相同时，碰撞最不容易发生，一定范围内，两边梁体自振特性相差越大，发生碰撞的可能性就越大；伸缩缝间隙越小，产生的碰撞力越小，但会增加碰撞次数。根据桥梁各联之间连接构造、碰撞发生特点和本文研究成果，讨论提出了减轻碰撞不利响应和防止落梁破坏的有效措施。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-25
  1.1 本课题的提出  11-13
  1.2 研究及应用现状  13-22
    1.2.1 地震中桥梁碰撞及破坏现象  13-21
    1.2.2 国内研究应用现状概述  21-22
    1.2.3 桥梁地震碰撞反应分析概述  22
  1.3 研究意义  22-23
  1.4 本文主要研究内容  23-25
第2章地震作用下梁桥碰撞分析方法  25-41
  2.1 碰撞分析用到的材料本构关系  25-27
  2.2 有限元理论  27-28
  2.3 桥梁结构运动方程  28-30
  2.4 桥梁地震反应时程分析法  30-33
  2.5 桥梁碰撞的基本理论  33-41
    2.5.1 碰撞的特征和类型  33-34
    2.5.2 碰撞的基本假设  34-35
    2.5.3 桥梁碰撞的发生条件以及影响因素  35-36
    2.5.4 桥梁地震碰撞模拟方法  36-39
    2.5.5 防碰撞措施  39
    2.5.6 非一致地震激励下的碰撞反应  39-41
第3章考虑碰撞单元刚度的高墩曲线桥动力特性  41-59
  3.1 引言  41
  3.2 动力计算模型  41-48
    3.2.1 全桥模型  41-43
    3.2.2 碰撞模型  43-48
      1 上部结构模型  45-46
      2 支座模型  46-47
      3 墩柱模型  47-48
      4 桩土作用模型  48
  3.3 结构动力特性分析  48-58
    3.3.1 模型的自振特性  48-52
    3.3.2 阻尼模型  52-53
    3.3.3 曲率半径对曲线桥自振特性的影响  53-55
    3.3.4 墩高对曲线桥自振特性的影响  55-56
    3.3.5 临梁碰撞对高墩曲线桥自振特性的影响  56
    3.3.6 双薄壁墩系梁设置对自振特性的影响  56-58
  3.4 小结  58-59
第4章地震作用下梁桥地震碰撞响应分析  59-85
  4.1 输入地震波  59-61
    4.1.1 地震波的选取  59-60
    4.1.2 地震波的输入及最不利方向  60-61
  4.2 结构地震响应的分析  61-79
    4.2.1 主梁梁体位移与碰撞效应  63-66
    4.2.2 梁端相对位移与碰撞效应  66
    4.2.3 墩顶位移与碰撞效应  66-70
    4.2.4 墩底剪力和弯矩与碰撞效应  70-76
    4.2.5 碰撞力  76-77
    4.2.6 支座位移与碰撞效应  77-78
    4.2.7 结构碰撞下的侧向位移和扭转变形  78-79
  4.3 桥梁地震碰撞响应影响因素分析  79-83
    4.3.1 墩高变化对地震碰撞的影响  79-80
    4.3.2 曲率变化对地震碰撞的影响  80-82
    4.3.3 临梁周期比对碰撞的影响分析  82
    4.3.4 伸缩缝宽度对碰撞的影响  82-83
  4.4 小结  83-85
第5章减缓高墩曲线桥地震碰撞的方法和措施  85-91
  5.1 减缓地震碰撞的方法  85-89
    5.1.1 增大伸缩缝宽度法  85-86
    5.1.2 安装耗能减震装置  86-89
  5.2 隔震与非隔震桥梁碰撞响应对比  89-91
第6章结论与展望  91-93
  6.1 主要研究结论  91-92
  6.2 展望  92-93
致谢  93-94
参考文献  94-98
附录攻读硕士学位期间发表论文及参加的科研项目  98

强烈地震下高墩曲线桥的碰撞效应研究

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