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地震作用下多塔斜拉桥失效模式控制研究

作　者: 刘金龙
导　师: 李惠
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 斜拉桥地震失效模式振动控制桩-土-桥梁结构相互作用
分类号: U441.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-39
  1.1 课题背景和意义  13-14
  1.2 斜拉桥发展概况  14-17
  1.3 斜拉桥抗震性能研究概况  17-22
    1.3.1 国外斜拉桥抗震性能研究概况  17-19
    1.3.2 国内斜拉桥抗震性能研究概况  19-21
    1.3.3 斜拉桥抗震分析方法  21-22
  1.4 斜拉桥振动控制研究概况  22-30
    1.4.1 斜拉桥被动控制研究  23-27
    1.4.2 斜拉桥主动、半主动及混合控制研究  27-30
  1.5 SMA 阻尼器及其在斜拉桥上的研究与应用概况  30-32
  1.6 桩-土-桥梁结构相互作用对斜拉桥地震响应的影响  32-35
  1.7 斜拉桥结构pushover 分析方法  35-37
  1.8 本文主要研究内容  37-39
第2章地震作用下多塔斜拉桥体系破坏模式研究  39-61
  2.1 引言  39
  2.2 斜拉桥有限元模型  39-45
    2.2.1 山东滨州黄河公路大桥概述  39-40
    2.2.2 OpenSees 简介  40-41
    2.2.3 斜拉桥构件、单元与材料  41
    2.2.4 斜拉桥有限元模型  41-45
  2.3 地震波特性及其输入方式  45-47
    2.3.1 地震波及其特性分析  45-46
    2.3.2 地震波输入方式  46-47
  2.4 斜拉桥地震响应分析  47-56
    2.4.1 桥塔塔顶位移  48-50
    2.4.2 桥面纵向位移  50-51
    2.4.3 斜拉索索力  51-53
    2.4.4 斜拉桥地震反应包络  53-56
  2.5 斜拉桥地震损伤分析与破坏模式分析  56-60
    2.5.1 钢筋混凝土结构地震损伤模型  57
    2.5.2 桥塔地震损伤分析  57-58
    2.5.3 不同斜拉桥体系破坏模式分析  58-60
  2.6 本章小结  60-61
第3章地震作用下多塔斜拉桥负刚度控制研究  61-82
  3.1 引言  61
  3.2 斜拉桥简化模型及最优负刚度推导  61-67
    3.2.1 斜拉桥模型简化  62-64
    3.2.2 简化模型的复阻尼分析  64-65
    3.2.3 塔梁间最优负刚度推导  65-67
  3.3 负刚度阻尼器的实现  67-68
  3.4 斜拉桥弹塑性阶段地震反应负刚度控制分析  68-79
    3.4.1 不同体系斜拉桥性能对比  69-70
    3.4.2 阻尼器刚度变化对斜拉桥性能的影响  70-79
  3.5 非线性粘滞阻尼对控制效果的影响分析  79-80
  3.6 本章小结  80-82
第4章基于超弹性SMA 阻尼器的多塔斜拉桥地震损伤可恢复性研究  82-96
  4.1 引言  82-83
  4.2 SMA 阻尼器设计  83-88
    4.2.1 OpenSees 中SMA 材料本构关系的二次开发  83-84
    4.2.2 拉压型SMA 阻尼器  84-85
    4.2.3 SMA 阻尼器参数影响分析  85-88
  4.3 基于SMA 阻尼器的斜拉桥地震反应特点  88-89
    4.3.1 最大反应对比分析  88
    4.3.2 震后残余变形对比  88-89
  4.4 基于SMA 阻尼器的斜拉桥可恢复性能  89-95
    4.4.1 SMA 阻尼器初始刚度对可恢复性能的影响  90-91
    4.4.2 地震动特性对可恢复性能的影响  91-92
    4.4.3 SMA 复合阻尼器性能分析  92-95
  4.5 本章小结  95-96
第5章考虑桩-土-桥梁结构相互作用的斜拉桥减震控制分析  96-111
  5.1 引言  96-97
  5.2 桩-土-桥梁结构相互作用体系建模  97-101
    5.2.1 场地条件及下部结构概述  97-98
    5.2.2 土体本构关系确定  98-101
  5.3 桩-土-桥梁结构相互作用影响分析  101-109
    5.3.1 考虑桩-土-桥梁结构相互作用后地震响应的差异  101-103
    5.3.2 考虑桩-土-桥梁结构相互作用后控制效率对比  103-107
    5.3.3 考虑SPSI 后SMA 阻尼器控制效果分析  107-109
  5.4 本章小结  109-111
第6章斜拉桥结构pushover 分析方法研究  111-124
  6.1 引言  111-112
  6.2 斜拉桥pushover 分析中的特殊问题  112-113
  6.3 斜拉索索力简化  113-114
  6.4 斜拉桥桥塔pushover 分析中侧向力分布方式  114-118
    6.4.1 单塔侧向力分布方式确定  115-117
    6.4.2 斜拉桥桥塔间剪力分配  117-118
  6.5 基于桥塔pushover 分析的斜拉桥破坏机理  118-123
    6.5.1 Pushover 曲线的简化  118
    6.5.2 破坏机制探讨  118-123
  6.6 本章小结  123-124
结论  124-126
参考文献  126-143
攻读学位期间发表的学术论文  143-145
致谢  145-146
个人简历  146

地震作用下多塔斜拉桥失效模式控制研究

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