强地震条件下路基与桥台的耦合动力响应和破坏机制研究

论文摘要

我国是一个多地震的国家,地震对交通（公路、铁路）基础设施造成巨大的破坏和经济损失,直接影响灾后救援工作。桥头过渡段是线路最为薄弱的部位之一,地震震后调查资料表明,桥头地段的路基与桥台破坏严重,其中路基与桥台产生较大的永久变形是桥头过渡段地震破坏的最主要特点。为探究路基与桥台发生破坏的原因,揭示地震作用下路基与桥台的动力响应规律,提出合理的抗震设计方法,本文通过现场震害调查、理论计算、数值仿真等方法得到了强震下路基与桥台的动力响应规律与破坏模式,提出了桥台位移的理论计算公式与基于位移的桥台抗震设计等成果,主要研究结论如下：1)初步获得了路基与桥台震害特点及破坏机理通过震后调查及资料调研,归纳了路基与桥台的各种破坏类型,初步分析了路基与桥台的破坏机理。得出了路基与桥台破坏类型主要有过渡段路基的不均匀下沉错台、纵横向开裂、隆起、塌陷、路基边坡失稳以及桥台的滑移、倾斜、横移错开、台身的剪切裂缝、斜拉裂缝、整体倒塌等。该研究成果为桥台抗震研究提供了分析素材及设计依据,是研究路基与桥台地震分析的重要资料。2)建立了反映土体桥台破坏特性的桥台位移计算模型,初步推导出了考虑土体强度衰减特性的桥台位移计算理论。首先分析了地震下路基桥台破坏特点,提出了简化桥台滑坡破坏模式,在此基础上考虑土体强度衰减效应对桥台稳定性的影响,将桥台-土体地震动力响应分析与Newmark有限滑移计算方法相结合,提出了桥台滑移计算公式。该研究成果把复杂的动力时程计算转化为可以简单的手工计算,为基于位移的桥台抗震计算奠定了基础,便于推广应用。3)采用数值分析方法,建立了路基与桥台的非线性三维耦合动力模型,分析了路基与桥台的动力响应规律以及路基与桥台动力响应的影响因素。考虑土体的非线性、强度衰减特性以及桥台的滑移和转动,建立了非线性三维耦合动力模型,并对路基与桥台相互作用的动力响应规律进行分析。揭示了桥台位移（包含滑动和转动）与地震动强度、桥台高度等因素的相互关系以及地震作用沿桥台高度的放大效应特性。该研究成果能较好地反映地震作用下路基与桥台的动力响应,为建立路基与桥台的理论计算模型提供很好的分析依据。4)采用非线性桥台位移计算理论,初步提出了基于位移的桥台抗震设计方法。采用已推导出的位移计算理论作为抗震计算方法,初步提出了可以根据台后土屈服破坏判定标准、地基土屈服破坏判定标准、桥台-梁体不发生碰撞判定标准以及工程经验法判定标准的基于位移的桥台抗震设计。初步分析表明：根据地基土屈服破坏的判定标准,更真实地反映土体与桥台的地震响应,此方法得到的桥台位移更合理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地震动特性的研究现状
• 1.2.2 地震条件下的路基与桥台的动力响应研究
• 1.2.3 地震条件下的路基与桥台的破坏机制研究
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 路基与桥台震害特点及破坏分析
• 2.1 概述
• 2.2 过渡段路基震害特点及分析
• 2.2.1 破坏类型分析
• 2.2.2 路基破坏原因初步分析
• 2.3 桥台（挡土墙）震害
• 2.3.1 破坏类型分析
• 2.3.2 桥台破坏原因初步分析
• 2.4 小结
• 第3章 桥台位移计算理论
• 3.1 概述
• 3.2 桥台位移计算模型
• 3.3 土体强度衰减特性及屈服加速度
• 3.3.1 土体动强度衰减特性
• 3.3.2 屈服加速度
• 3.4 等效地震荷载
• 3.4.1 等效等幅剪应力
• 3.4.2 等效循环周数
• 3.4.3 等效台背土压力
• 3.5 考虑土体强度衰减效应的桥台有限位移计算
• 3.5.1 基于滑坡破坏的桥台有限位移改进计算
• 3.5.2 桥台位移计算过程
• 3.5.3 计算算例
• 3.6 计算公式的修正
• 3.6.1 地震频率的影响
• 3.6.2 地震作用沿高度放大效应的影响
• 3.6.3 复合荷载M-H-V的耦合对破坏形式的影响
• 3.6.4 桥台埋深的影响
• 3.6.5 桥台位移计算公式修正
• 3.7 小结
• 第4章 路基与桥台地震响应规律分析
• 4.1 路基与桥台动力分析方法
• 4.1.1 等效线性法
• 4.1.2 完全非线性动力分析
• 4.1.3 拉格朗日有限差分法
• 4.2 路基与桥台三维耦合动力分析模型
• 4.2.1 计算模型及计算参数
• 4.2.2 接触面
• 4.2.3 动力边界条件
• 4.3 地震荷载输入
• 4.4 路基与桥台地震响应规律
• 4.4.1 位移响应
• 4.4.2 加速度响应
• 4.4.3 应力响应
• 4.5 小结
• 第5章 基于位移的桥台抗震设计
• 5.1 概述
• 5.2 基于位移的抗震设计
• 5.2.1 地震设防水准
• 5.2.2 桥台抗震性能
• 5.2.3 桥台抗震方法
• 5.3 基于位移的桥台抗震设计过程
• 5.4 小结
• 第6章 研究结论及展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 未来工作的建议及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及主要科研工作