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考虑桩土水耦合的大跨斜拉桥地震响应与可靠度研究

陈文元  
【摘要】:随着社会科学技术的进步和经济能力的显著增强,大跨度跨江、跨海斜拉桥越来越多,与此同时,这类桥梁工程的抗震问题已成为工程界的热点。在这些桥梁工程的抗震分析研究中,结构的耦合是准确分析这些结构动力响应的前提条件,当然计算结构动力响应准确性还取决于地震动的特性及输入形式。全文就结构的耦合,结合随机振动理论在斜拉桥可靠度中的应用进行了一些研究,主要工作如下: (1)系统总结了目前国内外桥梁桩-土-水-结构耦合、斜拉桥动力可靠度分析的方法及前沿技术,提出了大跨度斜拉桥考虑桩-土-水-结构耦合及地震地面运动的各种空间变化效应,阐述了以计算失效概率为最终目的的可靠度分析的现实意义。 (2)推导了桩-土-结构中对土边界处理的粘弹性人工边界、阐述了规范中的“m”法、桩土接触面法,通过算例验证了推导的粘弹性人工边界的可靠性。以大跨度苏通大桥为算例,运用粘弹性人工边界,对比分析考虑桩-结构、考虑桩-土-结构耦合、承台固结的三种工况,得出了桩-土-结构耦合使桥自振频率变小,周期变长,桩底反力明显减少,主梁的轴向力与弯矩、拉索的轴力、塔的轴向力与弯矩也明显减少。说明了该斜拉桥属于特柔性结构,在静力内力计算时采用塔底固结模式是安全的,但值偏大。 (3)推导了采用附加质量计算方法处理水-结构耦合的方法,并与monson方法、规范计算方法进行了对比研究,找出了三者的差异,附加质量计算方法与规范计算方法原理一致,但monson方程可以考虑水-结构的运动耦合和阻尼。运用monson方程计算了不同的圆墩直径和水深的各种工况,得出了墩的直径越小其影响效应越显著,在波浪和地震作用下考虑流固耦合时计算的最大位移响应结果大于未考虑流固耦合的情况,流体附加质量效应和流固耦合效应对桩柱响应均有影响,但其影响趋势和影响程度并不相同。以大跨度苏通大桥作为算例,运用附加质量方法,对比分析了桩-上-结构、桩-土-水-结构二种工况,得出了考虑动水结构的动力特性发生变化较大,且随着水深度的增加,频率逐渐越来越小,降低趋势显著,且对主梁、塔的内力也影响显著。因此在大跨度斜拉桥分析时,深水作用须予以考虑。 (4)系统阐述了虚拟激励法计算结构响应的过程、地震非平稳随机过程的功率谱密度函数、行波效应、部分相干效应和局部场地效应的处理方法,运用Ruiz和Penzie模型对苏通桥场地进行了计算,得到了Ruiz和Penzie模型,运用ANSYS平台编制了虚拟激励法程序,对大跨度苏通大桥的进行了数值模拟,并与时程分析法、反应谱分析法进行了比较,得到了该方法的适宜性,为分析结构在地震激励下的响应做了有益的探讨。 (5)研究了大跨度苏通大桥桩-土-结构、桩-土-水-结构模型的动力响应差异,考虑桩-土-结构相互作用后,结构整体刚度比承台固结时明显变小,其自振周期变长,结构位移明显比不考虑相互作用时增加,最大地方达到了25%左右。桩-上相互作用使上部结构内力减小,其比承台固结时减少15%左右。桩-土-水-结构比桩-土-结构的位移响应增大在10%左右,内力增大的幅度在50%左右,位移增加20%左右。在桩-上-水-结构模型基础上又进行了行波效应、非线性效应分析,得出了不同行波速度对该结构影响是不一致的,非线性效应对顺桥方向的内力与位移影响较大,增大影响在10%左右。 (6)将传统响应面方法、规范反应谱方法和Monte Carlo数值模拟法结合起来,构造了一种二次响应面法计算结构随机可靠度的组合响应面方法。通过拟合的多项式函数来近似替代表示结构随机输入与输出变量之间作用关系的功能函数,按照结构的破坏准则及其极限状态方程,进行可靠度分析。以大跨度苏通桥桩土水结构五种模型为算例,运用二次响应面法、JC法分析其在随机地震荷载作用下的可靠度,考虑桩-土-水-结构模型计算的可靠度指标比承台固结模型、桩结构模型、桩土结构模型、桩水结构模型都要小,但还是具有足够的安全度,关键截面可靠度指标基本接近,说明该桥设计非常合理;两种计算动力可靠度指标的方法不尽相同但计算结果比较接近,最大差值为5%左右。


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