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《北京交通大学》 2007年
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近场地震下桥梁结构基于性能抗震设计的能量方法

江辉  
【摘要】: 近断层区的严重震害给抗震界提出了新的课题,靠近活动断层区域的地震动以其长持时速度脉冲的巨大破坏能力而对现行抗震设计方法提出了新的考验,迫切需要在搞清近断层地震动主要特性的基础上改进现有的抗震设计方法。随着近年来仪器技术的进步,已经记录到相当数量高质量的近场强震记录,使这项研究具备了地震输入的必要基础。由于结构对地震作用的抵御在本质上是地震输入能量的消耗过程,本文以脉冲型近场地震动为对象,发展了桥梁结构基于能量的性能评估方法,建立了能够同时考虑累积耗能和最大变形需求的基于预期性能目标的桥梁结构抗震设计方法,主要工作如下: 1.挑选具有速度脉冲的典型近震记录为输入,以隔震连续梁桥为对象提取了决定速度脉冲破坏能力的控制参数I_p,建议了一种采用三角函数叠加高频分量的速度脉冲模拟模型,并利用所收集到的世界范围内的近断层强震记录对脉冲控制参数进行了回归分析。引入累积能量和瞬时能量概念,能量谱分析表明在近断层地震动诸参数中,脉冲周期和脉冲强度是影响结构峰值响应的决定性因素,累积输入能量受高频地震分量影响明显,而瞬时输入能量则主要取决于速度脉冲。等效单墩的算例分析表明,瞬时输入能量是表征地震破坏能力的有效指标,从累积耗能比和瞬时耗能比的分布特征可得出,LRB双线性隔震支座耗能效率在0.3~0.6的范围内,表明近场脉冲下被动隔震装置的耗能能力有待提高,需要发展合理可靠的减震、耗能方式。 2.在总结既有的输入能量简化计算方法不足之处的基础上,建议了一种基于谱速度的改进模型,用近场记录验证了本文方法的准确性。基于地震动记录分组,进行了输入能量均值谱、84%包络曲线的分布特征分析,采用半经验、半统计方法建议了适用于0~15km断层范围内的输入能量设计谱(EIDS),并用实际记录进行了验证。与日本建筑抗震规范(1985、2001)及Akiyama、Climent等模型的对比表明,本文建议的设计能量谱能较好的反映近断层区潜在的能量需求,而其他规范则存在取值偏低等明显不足。从所建议的输入能量简化计算模型出发,推导了与当前中、美主要抗震设计规范(GB50011-2001、UBC97)加速度谱相容的输入能量等效速度谱,和本文所建议设计谱对比表明我国GB50011-2001规范除在Ⅲ、Ⅳ类场地下的9度罕遇烈度设防地震下能一定程度上体现近场地震的能量放大效应外,在其他设计加速度和场地条件下均明显低于断层距在0~15km范围内的能量输入需求,近场地震中速度脉冲效应(Fling or Pulse Effect)对结构破坏的影响在GB50011-2001规范的反应谱曲线中未能反映出来,其谱参数需要进行调整;而与美国UBC97规范相容的能量谱对比表明除了在基岩场地(S_A)上UBC97规范参数取值偏低外,在其他场地条件和断层距范围内均和本文所建议的0~15km断层距的输入能量谱较好地吻合,表明该规范采用近场因子N_A、N_v考虑近场效应是必要的,也从另一角度印证了本文建议谱的合理性。 3.在对记录分组进行大量工况分析的基础上得出影响输入能量分配的决定性因素为结构阻尼和变形延性,提出了引入长周期下降段的全面考虑结构阻尼和延性需求的滞回耗能与输入能量比,对比表明本文模型取值更符合近场地震动的能量分配特征。采用考虑刚度退化的滞回模型,讨论了地震动输入能量和SDOF体系非弹性最大变形之间关系,采用分段线性化方法建议了考虑场地分类的函数表达式,并用多自由度实体桥墩为算例进行了验证。在给出多自由度结构的地震输入总能量和滞回耗能需求、结构耗能能力以及总能量分配计算方法的基础上,提出了基于能量的桥梁结构损伤评估方法,并以3座加拿大的实际桥墩为对象进行了验证。 4.采用改进的Park-Ang双参数损伤评估模型,对三类不同场地下基于等延性的强度折减因子设计的刚度退化单自由度体系的地震损伤分析表明,考虑单一变形延性的设计方法不能有效考虑地震动累积损伤效应,由于刚度退化导致的累积损伤会使得传统的设计方法偏于不安全。定义了基于确定性能目标的强度折减因子,自编程序计算了三类场地下刚度退化体系等性能目标强度折减因子的分布特征,构造了5%阻尼条件下的回归模型。以此为基础,推导了与UBC97抗震设计规范相容的等性能目标非弹性位移谱,发展了基于性能的桥梁墩柱抗震设计方法,并用算例验证了本文方法的可行性。最后,讨论了长细比取值较大的高柔桥墩和不等高MDOF全桥结构的多阶模态效应,引入多自由度振型分解反应谱理论提出了全桥结构基于性能的简化设计方法。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U442.55

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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10 王洪涛;陈彦江;闫维明;李勇;程建旗;黄飞鸿;;复合式金属型阻尼器在高架桥减震控制中的应用研究[A];第八届全国地震工程学术会议论文集(Ⅱ)[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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8 关宏波;GFRP套管钢筋混凝土组合结构的研究[D];大连理工大学;2011年
9 胡紫东;考虑支座相关性的基础隔震结构地震响应研究[D];华中科技大学;2011年
10 常磊;结构地震能量反应分析及其在超高层巨型框架结构中的应用研究[D];合肥工业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张伟杰;高层建筑和高耸结构的简化动力分析[D];河南理工大学;2010年
2 任克彬;大型渡槽结构主动变阻尼控制研究[D];郑州大学;2010年
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4 叶成杰;空间双向张弦梁结构简谐激振数值分析与试验研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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1 熊峰;钢管混凝土拱桥抗震性能研究[D];四川大学;2002年
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10 刘哲锋;地震能量反应分析方法及其在高层混合结构抗震评估中的应用[D];湖南大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 夏志华;大跨度连续刚构桥地震反应分析[D];西南交通大学;2003年
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6 王福智;考虑材料阻尼比不同的钢框架—混凝土筒体混合结构弹性时程分析[D];天津大学;2004年
7 白文婷;地震动的脉冲特性与结构破坏之间的关系研究初探[D];中国地震局工程力学研究所;2005年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前9条
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2 李立峰;黄佳梅;吴文朋;王连华;;基于IDA的高墩大跨桥梁抗震性能评估[J];地震工程与工程振动;2012年01期
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报通讯员 王虹英袁芳 本报记者 高李鹏;科技助力 前景无限[N];人民铁道;2007年
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3 杨达卿;北京交通大学喜迎110周年校庆[N];现代物流报;2006年
4 记者 江芸涵;交通大学全球校友商界领袖峰会举行[N];四川日报;2009年
5 本报通讯员 李海明 本报记者 朱振国;在社会实践中深化国情意识[N];光明日报;2005年
6 本报通讯员  王虹英 袁芳 本报记者  朱振国;为了光荣与梦想[N];光明日报;2006年
7 本报特约记者  吴琳 通讯员  刘惠卿;大连交大创新人才培养模式[N];光明日报;2006年
8 本报记者 徐文智;突出文化特色创建一流医院[N];中国消费者报;2004年
9 叶广 忻华国;上海铜棒与交通大学联合开发新材料[N];中国有色金属报;2001年
10 本报记者 黄文李小伟 实习生 董健莹;用体育完善学生完善学校[N];中国教育报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 江辉;近场地震下桥梁结构基于性能抗震设计的能量方法[D];北京交通大学;2007年
2 贾红梅;客运专线圆端形桥墩的抗震性能研究[D];北京交通大学;2008年
3 王丰;基于性能的结构多维抗震设计方法研究[D];大连理工大学;2007年
4 何利;框架结构基于能量的试验和抗震设计方法研究[D];合肥工业大学;2011年
5 缪志伟;钢筋混凝土框架剪力墙结构基于能量抗震设计方法研究[D];清华大学;2009年
6 马千里;钢筋混凝土框架结构基于能量抗震设计方法研究[D];清华大学;2009年
7 刘永前;大型桥梁结构健康监测技术研究与应用[D];北京交通大学;2007年
8 夏修身;铁路高墩抗震设计方法研究[D];兰州交通大学;2012年
9 贺秋梅;地震动的速度脉冲对结构反应及结构减隔震性能影响研究[D];中国地震局地球物理研究所;2012年
10 樊长林;强震下RC结构基于性能的刚塑性抗震设计方法研究[D];太原理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张冰;近场地震作用下框架与桥梁结构抗震分析[D];湖南大学;2007年
2 李永强;基于滞回耗能的Pushover分析方法的应用研究[D];兰州交通大学;2009年
3 丁玉春;单自由度结构中基于性能抗震设计的能量方法[D];北京交通大学;2006年
4 王长龙;近断层地震动作用下钢框架结构的地震响应分析[D];北京交通大学;2008年
5 马会杰;近场地震下钢筋混凝土框架抗震性能分析[D];湖南大学;2009年
6 张林春;大跨度刚构桥近场脉冲型地震动反应分析[D];哈尔滨工业大学;2007年
7 霍新;高墩大跨连续刚构桥地震反应分析[D];中国地震局地球物理研究所;2006年
8 邓茂广;优秀历史建筑上海外滩3号楼改造加固抗震设计研究[D];同济大学;2007年
9 刘新岗;基于IDA分析的城市轨道交通桥梁结构抗震性能研究[D];北京交通大学;2009年
10 黄尚;高速铁路桥梁基于性能的抗震设计方法研究[D];中南大学;2011年
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