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基于已有振动台试验的钢管混凝土圆弧拱抗震性能分析

作　者: 韩兴
导　师: 张素梅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢管混凝土 圆弧拱 抗震性能 振动台试验
分类号: TU311.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


钢管混凝土拱桥因具有自重轻、强度高、延性好、施工便捷等优点,近年来在国内外得到了广泛应用。我国已建成钢管混凝土拱桥300余座,跨度超过50m的有200余座。中国是一个地震多发国家,许多钢管混凝土拱桥位于高烈度抗震设防区,因此钢管混凝土拱桥的抗震性能极其重要。本文利用IDA方法和Pushover方法对钢管混凝土圆弧拱的抗震性能进行了研究。具体工作如下:(1)基于已有的钢管混凝土拱桥振动台试验,验证了OpenSees有限元软件在分析钢管混凝土拱桥抗震性能时的适用性,研究了钢管混凝土拱桥在强震作用下的破坏过程和破坏机理。结果表明,钢管混凝土拱肋在峰值加速度不断提高的一系列地震动作用下,拱脚处因较大的基底剪力和倾覆力矩首先进入塑性并最终导致结构动力失稳破坏。由极限峰值加速度作用下拱脚钢管与混凝土的应力应变发展关系曲线可见,在地震作用下钢管混凝土应力应变滞回性能良好,钢管混凝土拱肋具有较好的延性及耗能能力。(2)采用IDA方法分析了钢管混凝土圆弧拱的抗震性能,研究了钢管混凝土圆弧拱在地震动作用下的两种典型动力失稳破坏模式,以及长细比、轴压比和圆心角对钢管混凝土圆弧拱抗震性能的影响。计算了钢管混凝土圆弧拱在11条典型II类场地地震动作用下的极限峰值加速度及其平均值,并基于该平均值提出了钢管混凝土圆弧拱在II类场地地震动作用下的极限峰值加速度计算公式。与有限元计算结果对比可知,通过本文所提公式得到的计算结果偏于安全。(3)采用Pushover方法研究了钢管混凝土圆弧拱的抗震性能,比较了三种不同侧向力加载模式对结构抗震性能的影响,并推荐了适用于钢管混凝土圆弧拱Pushover分析的侧向力加载模式。计算了钢管混凝土圆弧拱在不同设计参数下的底部剪力-拱顶位移全过程曲线并得到了拱顶峰值位移随长细比、轴压比及圆心角的变化规律,提出了钢管混凝土圆弧拱在罕遇地震作用下的拱顶出平面位移限值计算公式。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-25
  1.1 课题研究的目的和意义  9-13
    1.1.1 钢管混凝土拱桥应用前景广阔  9-11
    1.1.2 钢管混凝土拱桥抗震性能亟待研究  11-12
    1.1.3 增量动力分析法与静力弹塑性分析法却切实可行  12-13
  1.2 国内外在该方向的研究现状及分析  13-24
    1.2.1 钢管混凝土拱桥抗震性能的研究现状  13-18
    1.2.2 IDA方法的研究现状  18-19
    1.2.3 Pushover方法的研究现状  19-21
    1.2.4 单圆钢管混凝土拱肋恢复力特性的研究现状  21-24
  1.3 本文主要研究工作  24-25
第2章 有限元模型建立与验证  25-39
  2.1 引言  25
  2.2 有限元模型介绍  25-32
    2.2.1 振动台试验模型  25-26
    2.2.2 OpenSees分析模型  26
    2.2.3 结构非线性  26-28
    2.2.4 非线性有限元问题求解方法  28
    2.2.5 非线性梁柱单元计算方法及纤维模型原理  28-30
    2.2.6 单元选取  30-31
    2.2.7 钢管混凝土拱肋应力应变模型  31-32
  2.3 计算结果分析  32-35
    2.3.1 位移IDA曲线分析  32-34
    2.3.2 加速度IDA曲线分析  34-35
  2.4 强震作用下破坏过程与破坏机理  35-37
  2.5 本章小结  37-39
第3章 II类场地条件下的极限峰值加速度  39-56
  3.1 引言  39
  3.2 钢管混凝土圆弧拱计算模型  39-41
  3.3 El-Centro地震动作用下动力稳定性分析  41-49
    3.3.1 长细比对钢管混凝土圆弧拱动力稳定性的影响  41-45
    3.3.2 圆心角对钢管混凝土圆弧拱动力稳定性影响  45-48
    3.3.3 轴压比对钢管混凝土圆弧拱动力稳定性影响  48-49
  3.4 钢管混凝土圆弧拱动力稳定承载力分析  49-55
    3.4.1 计算结果分析  50-53
    3.4.2 极限峰值加速度分析  53-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章 钢管混凝土圆弧拱出平面位移限值  56-74
  4.1 引言  56
  4.2 Pushover分析假定及其原理  56-62
    4.2.1 Pushover分析方法的基本假定  57-58
    4.2.2 Pushover分析方法的理论  58-62
  4.3 不同侧向力加载模式对Pushover分析结果的影响  62-65
    4.3.1 三种侧向力加载模式  63-64
    4.3.2 不同侧向力加载模式分析结果比较  64-65
  4.4 Pushover关键参数分析  65-70
    4.4.1 底部剪力-拱顶位移全过程曲线分析  65-68
    4.4.2 拱顶峰值位移分析  68-70
  4.5 钢管混凝土圆弧拱出平面位移限值  70-72
  4.6 本章小结  72-74
结论  74-76
参考文献  76-82
攻读学位期间发表的学术论文  82-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 结构理论、计算 > 结构力学 > 结构动力学
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