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地震作用下多塔斜拉桥失效模式控制研究

刘金龙  
【摘要】:地震是人类面临的最危险的自然灾害之一,时刻威胁着人类的生命和财产安全。近年来由地震引发桥梁工程破坏的事故屡见不鲜,国际上几次大地震都揭示了一个共同问题:由于桥梁工程在地震中遭到严重损坏,切断了震区交通生命线,给抗震救灾工作带来巨大困难,并极大的加深了次生灾害所带来的影响。而斜拉桥作为一种重要的桥型,在生命线工程中扮演着重要角色,深入系统地研究斜拉桥的地震破坏失效模式,并对其进行控制,减小其地震损伤并具有可恢复性,有利于震后快速恢复其功能,对减轻地震灾害和进行震后有效的抗震救灾,具有重要的意义。 本文以山东滨州黄河公路大桥为原型,基于OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation)地震工程模拟平台开展多塔斜拉桥体系地震失效模式及其控制的研究。主要研究内容如下: 首先,针对塔梁固结、漂浮以及粘滞阻尼消能减震三种不同斜拉桥体系进行远、近场地震动作用下的时程分析,系统比较三种斜拉桥体系在相同地震动作用下及在远、近场地震动作用下反应的特点;基于Park和Ang钢筋混凝土结构地震损伤模型,研究三种斜拉桥体系的破坏失效模式。 其次,在一种斜拉桥简化模型的基础上,采用复阻尼理论,推导斜拉桥体系弹性阶段的阻尼比的解析解,并得到最优塔梁连接刚度的解析解(负刚度);采用数值模拟方法,研究斜拉桥弹塑性阶段负刚度控制特点,分析塔梁连接刚度对斜拉桥地震反应的影响规律,并得到与弹性阶段相同的最优负刚度。 第三,基于OpenSees,编制形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)材料超弹性应力-应变本构关系模型;提出拉压型SMA阻尼器,并将其安装于桥塔与主梁之间形成可恢复斜拉桥结构体系;通过数值计算,研究SMA阻尼器对斜拉桥地震反应的控制效果,并进行参数分析;进一步研究安装了SMA阻尼器的斜拉桥地震损伤可恢复性及SMA阻尼器参数对其可恢复性的影响规律。 第四,建立桩-土-桥梁结构相互作用的非线性有限元模型,研究土-结相互作用对粘滞、SMA阻尼器减震效率和SMA阻尼器的可恢复效率的影响,揭示阻尼器控制体系对土体地震反应的影响规律。 最后,针对斜拉桥结构的特殊性提出简化分析方法,将现阶段常规pushover分析方法的引入斜拉桥结构,推导了以第一模态振动为主的侧向力分布方式,并按抗侧刚度比的原则确定桥塔间侧向力总量比例,通过与时程分析结果的对比,证明了推荐pushover方法可以准确预测多塔斜拉桥结构的地震动破坏模式。


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