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黄土地裂场地桥梁结构地震反应分析

傅光耀  
【摘要】: 探索地裂缝对桥梁结构地震反应的影响,是工程抗震防灾减灾研究和桥梁结构抗震设计提出的新课题。黄土地裂场地是一种特殊的工程场地,目前国内外关于黄土地裂场地桥梁结构地震反应研究尚处于空白。本文针对这一崭新课题,以西安地区黄土地裂场地为研究工作背景,采用跨学科、跨专业的研究手段,进行了比较基础性的试探研究,并且初步取得了一些具有创新性的成果。 本文旨在初步探索一般混凝土公路梁桥,在黄土地裂场地上考虑近震、远震等条件下的地震反应,与普通场地条件下地震反应的差异。为此,本文主要完成的关键性工作有。 (1)黄土动三轴试验与黄土动力本构关系计算模型的确定。 本文研究探讨了土的各种本构关系的理论模型,并且通过完成大量黄土土样在不同围压下的动三轴试验,获得了黄土的动力实验关系曲线。本文认为粘弹性Hardin双曲线模型适合于描述黄土,在一定的应变范围内可以简化为直线关系。 (2)黄土场地土层勘探、动力特性实验与有限元土体模型。 详细搜集研究了我国黄土地层分布资料,完成了实际场址土层勘探以及动特性(剪切波速等)实验。在此基础上建立了土体的二维层状有限元模型,它能够适合于一般黄土场地的有限元动力计算。 (3)地裂缝竖向分布勘探测试实验和地裂缝的模拟建模方法。 实验方法定量地勘探测试了西安地裂缝的竖向分布状况:同时,研究和尝试了有限元的各种高级建模技术,将“生死单元”与“参数弱化”技术相结合,寻求到了地裂缝模拟建模的一条新途经。 (4)研究了一般黄土场地的地震反应。 采用“大质量法”从模型底部边界施加地震激励,研究了一般黄土场地的地震时程反应。本文借用几条频谱特性不同的典型地震记录,分别以0.1g、0.2g和0.4g最大加速度幅值水平,对两种尺寸的场地模型,模拟了场地在大、中、小震,和近震远震条件下的地震反应。 (5)研究了黄土地裂场地的地震反应。 在有限元土体模型中,利用本文的方法近似模拟构造了地裂缝缺陷,建立了黄土地裂场地的计算模型。以地裂缝的深度为研究参数,借用几条频谱特性不同的地震记录波作为激励波,进行了一系列的动力时程计算。研究结果揭示:黄土地裂场地的地震反应,与地裂缝深度、激励波的频谱等因素之间的关系丰富。 (6)实际桥梁结构的地震反应研究。 参照混凝土桥梁的标准设计,构造了两个混凝土梁桥的结构模型;分别对比计算了直接由桥墩底部、经由一般黄土场地,和经由黄土地裂场地,输入水平地震激励时,结构顺桥方向的时程反应。实际桥梁结构的地震反应研究表明,黄土地裂场地条件对桥梁结构的地震反应有多方面的影响。 (7)开发编写了基于EMD的数据处理程序。 基于EMD(Empirical Mode Decomposition,经验模态分解)原理,在MATLAB环境中,开发编写了能够剔除结构地震反应“位移漂移”成份的算法程序,成功地完成了结果数据的后处理。 本文的创新之处在于: (1)国内首次提出该课题的研究。采用跨学科、跨专业的研究手段,在线弹性范围内,比较系统的完成了试探性研究,并且取得了初步的成果。研究结果发现,黄土地裂场地对于输入的地震激励波存在显著的修正作用。 (2)从土体模型和土的本构关系的建立,到选择地震激励输入方式、确定动力计算方法、编制APDL计算程序、以及结果数据的后处理,摸索到了一套完整的跨学科、多方法的研究方法和各种先进算法的集合应用方式。 (3)将经验模态分解法与输入地震激励的“大质量”法相结合,找到了能够有效消除地震反应“位移漂移”成份的一种新途经。 另外,作者还使用了国际上科学论文通用排版软件LaTex,完成了本文的撰写和排版。


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