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地震作用下整体式桥台的动力响应数值模拟与试验研究

作　者: 石丽峰
导　师: 徐明
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 整体式桥台地震非线性滞回模型数值模拟离心机
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

地震灾害作为最严重的自然灾害之一，对人类的生命和财产安全造成了极大的威胁。交通运输的顺畅是保证灾后救援工作能够顺利进行的重要前提，作为一种新型桥台形式，整体式桥台桥梁具有良好的抗震性能。但目前国内对整体式桥台桥梁的研究还较少，还处于研究尝试阶段，因此对整体式桥台桥梁的抗震性能的研究很有必要。本文研发了一个可以考虑土体压硬性、非线性和滞回性的动力本构模型，并在FLAC二次开发实现。用FLAC模拟分析两种不同形式桥台在地震作用下的动力响应规律，对整体式桥台的动力响应进行了参数敏感性分析。最后对整体式桥台的动力响应进行了离心机振动台试验初步研究。具体内容如下：（1）用二维有限差分程序FLAC计算一维线弹性土柱在动力荷载下的响应，并和有限元程序Marc和解析解进行了对比，验证了FLAC计算动力问题的有效性。（2）研发一个可以考虑土体压硬性、非线性和滞回性的动力本构模型并二次开发应用到FLAC中，对三种形式的加载进行了三轴数值试验验证。分别使用该动力非线性本构模型和摩尔-库伦模型对整体式桥台在地震作用下的动力响应进行了模拟计算，结果表明，两种模型计算结果相差不大，考虑用计算效率更高的摩尔-库伦模型研究整体式桥台的动力响应规律。（3）分别对悬臂式桥台和整体式桥台在地震作用下的动力响应进行数值模拟计算，结果表明，现有规范所采用的计算桥台地震土压力的M-O方法不能真实描述桥台后土压力的分布和作用位置的规律。（4）对整体式桥台的动力响应进行参数敏感性分析，结果表明：地震加速度峰值的增加会使得桥台弯矩、剪力和土压力的动力响应增大；地震波形对整体式桥台的动力响应影响较小；当增加桥梁跨度时，桥台上部的土压力、弯矩、剪力增加较大；桥台高度的增大，容易造成桥台底部基础的滑移，使得桥台中部附近的最大弯矩变得较大；当桥台刚度增加时，桥台弯矩和剪力的动力响应会增大；泡沫材料隔离层的增加会减弱桥台后土体对桥台侧向变形的约束作用，导致桥台弯矩响应较没有隔离层时的弯矩响应更大；桥台后土体加筋后可以在一定程度上减小桥台土压力、弯矩和剪力的动力响应。（5）离心机振动台试验结果表明：模型加速度波向上传播时存在放大效应，相同高度处桥台的加速度放大效应比土体更明显；动力响应最大时刻，桥台上部土压力分布较M-O方法更大，下部土压力分布和M-O方法相差不大。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 整体式桥台桥梁的介绍  10-12
    1.2.1 传统式桥台桥梁的问题  10-11
    1.2.2 整体式桥台桥梁的分类  11-12
    1.2.3 整体式桥台桥梁与传统式桥台桥梁的区别及优势  12
  1.3 整体式桥台桥梁的研究现状  12-13
  1.4 桥台抗震设计方法  13-15
  1.5 本文主要研究内容  15-17
第2章 FLAC 动力计算有效性验证  17-26
  2.1 FLAC 计算程序介绍  17
  2.2 有限差分程序 FLAC 和有限元程序 Marc 动力计算对比  17-20
  2.3 FLAC 动力计算和解析解对比  20-22
    2.3.1 线弹性土柱波速的验证  20-21
    2.3.2 线弹性土柱共振效应的验证  21-22
  2.4 FLAC 自由场边界验证  22-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章动力非线性滞回模型的研发与验证  26-43
  3.1 土动应力-动应变基本特点  26-27
  3.2 邓肯-张本构模型简介  27-29
  3.3 动力非线性滞回模型的研发  29-33
    3.3.1 曼辛曲线  29
    3.3.2 滞回圈曲线的确定  29-31
    3.3.3 程序中判别准则的实现  31-32
    3.3.4 土的加载、卸载、再加载准则  32-33
  3.4 动力非线性滞回模型的实现与验证  33-38
    3.4.1 静力三轴试验验证  33-35
    3.4.2 动力循环加载下的应力应变关系验证  35-37
    3.4.3 不规则动力加载下的应力应变关系验证  37-38
  3.5 动力非线性模型应用  38-42
  3.6 动力非线性滞回模型的不足与应用范围  42
  3.7 本章小结  42-43
第4章桥台的动力响应数值模拟  43-80
  4.1 悬臂式桥台动力响应模型建立  43-48
    4.1.1 几何模型的建立  43
    4.1.2 本构关系与模型参数  43-45
    4.1.3 网格划分与边界条件  45-46
    4.1.4 阻尼的确定  46-47
    4.1.5 动力荷载的施加  47-48
    4.1.6 数值模拟过程  48
  4.2 悬臂式桥台动力响应结果分析  48-56
    4.2.1 回填土后桥台土压力分布  48-50
    4.2.2 桥台动力时程响应分析  50-54
    4.2.3 桥台土压力与 M-O 方法对比  54-56
  4.3 整体式桥台动力响应结果分析  56-62
    4.3.1 整体式桥台模型简介  56-57
    4.3.2 回填土后桥台土压力分布  57
    4.3.3 桥台动力时程响应分析  57-60
    4.3.4 桥台土压力与 M-O 方法对比  60-62
  4.4 整体式桥台动力响应参数敏感性分析  62-78
    4.4.1 地震加速度峰值  62-64
    4.4.2 地震波形  64-66
    4.4.3 桥梁跨度  66-68
    4.4.4 桥台高度  68-70
    4.4.5 桥台刚度  70-72
    4.4.6 桥台背后隔离层  72-74
    4.4.7 桥台背后加筋  74-78
  4.5 本章小结  78-80
第5章整体式桥台的动力响应离心机试验初步研究  80-95
  5.1 离心机振动台试验原理简介  80-81
  5.2 试验设备与试验模型简介  81-86
    5.2.1 离心机试验设备  81-83
    5.2.2 模型与砂土材料  83-84
    5.2.3 传感器分布说明  84-86
    5.2.4 主要试验步骤  86
  5.3 离心机试验结果整理及分析  86-93
    5.3.1 正弦加速度波激振形式加速度反应及分析  86-88
    5.3.2 天然波激振形式加速度反应及分析  88-89
    5.3.3 天然波激振形式桥台土压力反应及分析  89-92
    5.3.4 天然波激振形式桥台弯矩反应及分析  92-93
  5.4 试验经验与教训  93-94
  5.5 本章小结  94-95
第6章结论与展望  95-97
  6.1 本文主要成果与结论  95-96
  6.2 研究展望  96-97
参考文献  97-100
致谢  100-102
附录 A 动力非线性滞回本构模型代码  102-107
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  107

地震作用下整体式桥台的动力响应数值模拟与试验研究

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