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大跨度连续钢桁架柔性拱桥空间地震响应分析及减隔震研究

施成  
【摘要】:地震是一种破坏力大、突发性强和毁灭性大的一种自然灾害,随着交通运输的不断发展,大跨度桥梁结构在铁路和公路方面得到了广泛的建设,此类桥梁成为了连接交通运输和国民经济的生命线,具有非常重要的作用,因此进行大跨度桥梁结构的抗震设计研究是必不可少的。本文以银川机场黄河特大桥——大跨度连续钢桁架柔性拱桥为工程背景,基于多自由度空间结构体系地震响应分析的基本理论,利用ANSYS建立空间有限元模型,采用动力时程分析法分析大桥在地震波一致输入、行波效应和多点输入下的地震响应,最后又进行了大桥减隔震设计研究,为相似桥梁的抗震设计提供一定的参考价值,主要研究内容如下:(1)利用ANSYS建立了全桥三维有限元模型,采用集中质量法,通过SUBSPACE法分析结构的动力特性,获得大桥的振型和固有周期。通过有限元计算分析得到大桥的基频为0.69097Hz,表现为结构的一阶纵漂,后几阶振型表现为结构的横弯,说明桥梁结构横向刚度小,在设计中值得重视。(2)地震波一致输入下,拱肋轴力、主桁弯矩峰值出现在拱脚和边墩附近,拱肋横向位移峰值出现在每跨拱顶截面,纵向位移峰值沿桥长变化平缓,在安装固定支座墩处为零;横向激励对横向位移影响很大,对纵向位移影响很小,纵向激励对纵向位移影响较大,对横向位移影响较小,竖向激励对水平位移影响很小;地震波组合输入对结构内力影响较单向输入大,建议在大跨度连续钢桁架拱桥抗震设计中应充分考虑地震空间特性,提高桥梁横向刚度,优化拱脚、边墩附近结构设计。(3)地震波行波输入和多点输入对桥梁结构的影响复杂多变,对大跨度桥梁结构的内力和位移影响均很大,拱脚轴力以多点输入最为不利,其拱脚轴力是一致输入的1.685倍;梁端面外弯矩以行波输入下最为不利,是一致输入下的1.267倍;拱顶和主桁跨中节点纵向位移以行波输入下最大,多点输入次之,一致输入下最小,最大值和最小值相差达2.829倍和2.854倍,为此在进行大跨度桥梁结构抗震设计时,必须考虑地震波的时间性和空间性。(4)引入减隔震支座可以延长结构的自振周期,有效地减小桥梁结构在地震荷载作用下的响应,拱肋轴力减震率最大可达86.25%,墩底弯矩、墩顶剪力减震率最大可达86.30%、87.13%,拱顶、主桁跨中位移减震率最大可达66.40%、66.40%;随着阻尼系数和支座屈服前后刚度比,减震率增大,最后趋于平缓,减隔震支座力学参数存在最优值,在进行减隔震支座设计时,应该注意支座力学参数的选取,使得减隔震效果最有效最经济。


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