下承式刚架系杆拱桥的抗震设计方法及试验研究

论文摘要

下承式刚架系杆拱桥是我国在系杆拱桥基础上发展起来的新桥式。它是由墩柱、拱肋、系杆、吊杆和桥面系梁板等协同工作的组合结构桥梁,以拱肋与墩柱刚结、系杆承受拱脚水平推力为主要受力特征。由于其具有良好的结构性能、优秀的跨越能力和方便的施工条件,在十几年的发展历程中,已建造了上百座,最大跨度达到280m,成为我国城市桥梁建设中的主要桥式之一,是城市交通生命线中的重要组成部分。然而,目前在下承式刚架系杆拱桥的抗震设计和研究上仍存有许多问题,具体表现为:抗震设计规范滞后,现行的国内桥梁抗震规范在抗震设计思想和内容上都已不能满足工程设计的需要。对墩柱的抗震性能及其影响研究不足,在既有研究成果中,研究墩柱对下承式刚架系杆拱桥抗震性能影响的十分罕见,对低矮墩柱的抗震设计研究也十分缺乏。抗震手段单一,在无法采用减隔震支座的情况下,缺少对降低结构地震反应的技术措施研究。对伸缩缝两侧结构抗震性能的相互影响和结构在强余震作用下的抗震性能缺乏研究。针对上述问题,本论文从两大方面对下承式刚架系杆拱桥的抗震性能进行理论和试验研究:一是对下承式刚架系杆拱桥的自身抗震性能进行研究。研究墩柱刚度对其动力特性的影响,寻求既能改善墩柱抗震性能又能降低结构地震反应的新型墩柱抗震设计方法,探索性地对强余震作用下结构的抗震性能进行分析研究。二是从整个线路的抗震性能出发,研究下承式刚架系杆拱桥与引桥间的纵向碰撞对结构抗震性能的影响。分析影响碰撞的主要因素,寻找减轻碰撞和避免落梁的技术措施。主要研究内容摘要如下:1.下承式刚架系杆拱桥的动力特性及参数分析分析下承式刚架系杆拱桥的自振频率及振型特点,讨论拱肋倾角、矢跨比、横撑刚度等上部结构参数对结构动力特性的影响。鉴于墩柱刚度是影响下承式刚架系杆拱桥动力特性的重要参数,文中重点研究墩柱刚度对下承式刚架系杆拱桥自振特性的影响,并总结出一些可用于结构抗震设计的规律性结论。2.被动分肢墩的抗震设计思路及理论分析在下承式刚架系杆拱桥中,墩柱的抗震性能是决定全桥抗震性能的一个关键因素。针对在低矮墩柱延性设计中面临的强度、刚度、延性和耗能难以统一协调的困难,从被动控制的抗震思想出发,提出一种具有多重抗震防线,能在地震中有效调整结构刚度,改善结构地震响应的新型墩柱—被动分肢墩的抗震设计方法;阐述被动分肢墩的结构组成和设计原则;分析被动分肢墩的延性并给出延性计算方法;分析被动分肢墩的受力机理,给出极限承载力的计算方法;利用反应谱法分析单自由度被动分肢墩的抗震性能。3.采用被动分肢墩的刚架系杆拱桥抗震试验研究

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 下承式刚架系杆拱桥的定义及历史沿革
• 1.1.1 下承式刚架系杆拱桥的定义
• 1.1.2 下承式刚架系杆拱桥的历史沿革
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 存在的主要问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 下承式刚架系杆拱桥的动力特性及参数分析
• 2.1 拱桥自振特性的研究方法及成果概述
• 2.1.1 拱桥自振特性的解析解
• 2.1.2 拱桥自振特性的有限单元数值解
• 2.2 下承式刚架系杆拱桥的振型特点
• 2.2.1 分析模型的建立
• 2.2.2 自振频率及振型特点
• 2.3 上部结构对拱桥自振特性的影响
• 2.3.1 拱肋参数对自振特性的影响
• 2.3.2 横撑对自振特性的影响
• 2.4 下部结构对拱桥自振特性的影响
• 2.4.1 广义墩柱刚度的定义
• 2.4.2 无量纲参数λ
• 2.4.3 墩柱刚度对拱桥结构自振特性的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 被动分肢墩的抗震设计思路及理论分析
• 3.1 下承式刚架系杆拱桥墩柱抗震设计中的问题
• 3.1.1 低矮墩柱的变形和耗能问题
• 3.1.2 墩柱的震后性能和修复问题
• 3.2 被动分肢墩的抗震设计思路
• 3.2.1 现代抗震设计的理论和方法
• 3.2.2 被动分肢墩的抗震设计思路
• 3.3 被动分肢墩的设计原则
• 3.3.1 被动分肢墩的组成及功能分析
• 3.3.2 被动分肢墩的设计原则
• 3.4 被动分肢墩的延性分析
• 3.4.1 被动分肢墩的屈服荷载
• 3.4.2 受力机制对位移延性的影响
• 3.4.3 墩柱曲率对位移延性的影响
• 3.4.4 被动分肢墩的延性计算
• 3.4.5 被动分肢墩延性参数分析
• 3.5 被动分肢墩的抗震分析
• 3.5.1 被动分肢墩的抗震计算模型
• 3.5.2 被动分肢墩的最大地震力
• 3.6 被动分肢墩的受力机理及承载力计算
• 3.6.1 剪力连接件的受力机理及极限承载力
• 3.6.2 被动分肢墩的极限承载力
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 采用被动分肢墩的刚架系杆拱桥抗震试验研究
• 4.1 试验目的
• 4.2 模型设计
• 4.2.1 刚架系杆拱桥模型的总体参数
• 4.2.2 拱肋设计
• 4.2.3 墩柱设计
• 4.2.4 拱肋与墩柱刚结节点设计
• 4.3 试验方法和加载方案
• 4.3.1 水平加载方案及加载制度
• 4.3.2 竖向加载
• 4.4 试验测试项目
• 4.4.1 水平力及位移
• 4.4.2 墩柱的截面应变
• 4.4.3 钢筋应变和拱肋应力
• 4.5 结构试验及理论分析
• 4.5.1 材性试验
• 4.5.2 被动分肢墩的截面应变
• 4.5.3 被动分肢墩的破坏过程
• 4.5.4 滞回特性与耗能能力
• 4.5.5 墩柱的恢复力模型
• 4.5.6 被动墩柱的强度和延性
• 4.5.7 拱肋弯矩的变化
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 下承式刚架系杆拱桥的地震反应分析
• 5.1 桥梁抗震设计方法概述
• 5.2 分析参数的选择及有限元模型的建立
• 5.2.1 地震动的输入
• 5.2.2 恢复力特性
• 5.2.3 阻尼矩阵
• 5.2.4 土层－基础－结构间的相互作用
• 5.2.5 有限元模型的建立
• 5.3 分析结果及讨论
• 5.3.1 纵桥向地震作用
• 5.3.2 横桥向地震作用
• 5.3.3 竖向地震作用
• 5.3.4 行波效应
• 5.4 下承式刚架系杆拱桥的抗震设计建议
• 5.4.1 下承式刚架系杆的地震反应特点
• 5.4.2 抗震设计建议
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 下承式刚架系杆拱桥与引桥在地震中的碰撞效应研究
• 6.1 下承式刚架系杆拱桥与引桥碰撞的数值模拟
• 6.1.1 碰撞过程的数值模拟
• 6.1.2 伸缩缝两侧结构单元的简化
• 6.2 碰撞对结构抗震性能的影响
• 6.2.1 碰撞对墩柱剪力的影响
• 6.2.2 碰撞对结构位移的影响
• 6.2.3 碰撞对落梁震害的影响
• 6.3 伸缩缝间碰撞的影响因素分析
• 6.3.1 周期比的影响
• 6.3.2 伸缩缝宽度的影响
• 6.4 防落梁装置的分析
• 6.4.1 防落梁的措施
• 6.4.2 限位装置的约束效应
• 6.4.3 周期比对限位装置约束效应的影响
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 强余震对下承式刚架系杆拱桥抗震性能影响的研究
• 7.1 强余震的狭义定义
• 7.1.1 强余震在我国的分布特点
• 7.1.2 强余震的时间及空间分布
• 7.1.3 强余震的狭义定义
• 7.2 主震和强余震地震动参数的比较研究
• 7.2.1 震级的对比及统计分析
• 7.2.2 地震动幅值的对比
• 7.2.3 地震动持时的对比
• 7.2.4 频谱特性的对比
• 7.2.5 强余震地震动时程的确定方法
• 7.3 刚架系杆拱桥在余震作用下的反应
• 7.3.1 损伤结构破坏准则的确定
• 7.3.2 强余震作用下墩柱的恢复力模型
• 7.3.3 算例及结果分析
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 主要创新之处
• 8.3 展望
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表的论文