大跨度铁路钢管混凝土拱桥的抗震分析

论文摘要

拱桥是一种古老的桥梁形式,具有跨越能力大、承载能力高、稳定性和耐久性好、建筑材料丰富、工程造价低、养护维修费用少、桥型宏伟壮观等特有优势。随着新材料的应用,拱桥的跨越能力越来越大。尤其是钢管混凝土拱桥由于承载力高、跨越能力强、抗震性能好、施工方便而发展迅速。我国是多地震的国家,钢管混凝土拱桥在地震区的应用也越来越广泛。世界各国都非常重视桥梁抗震的理论研究和设计实践,并且根据本国国情,基本都制定了结构抗震设防原则与抗震设计规范。我国在铁路方面也制定了相应的《铁路工程抗震设计规范》,但此规范只适用于跨度小于150m的钢梁及跨度小于120m的铁路钢筋混凝土及预应力混凝土等梁式桥的抗震设计。大跨度拱桥由于大尺度性,其受力特性与普通小跨径桥梁有较大的差别,抗震设计应另行研究。本文以包西铁路上一座下承式钢管混凝土拱桥为工程背景,采用有限元软件MIDAS建立全桥空间有限元模型,做了以下四个方面的工作：（1）在分析了该桥自振特性的基础上,分别沿桥梁纵向、横向、竖向输入反应谱,分析了该桥的地震反应。以拱肋的内力和位移为研究对象,分析了恒载初始内力引起的几何非线性对该桥自振特性及地震反应的影响。（2）考虑几何非线性对地震反应的影响,分别采用纵向输入、横向输入和竖向输入三种方式输入地震波,绘出了三种激励下拱脚、L/4、3L/8及拱顶等关键截面的内力和位移随输入方向不同的变化图,并对其进行了分析,研究表明几何非线性对大跨度铁路下承式钢管混凝土拱桥的影响不十分显著。为了得出一些共性的结论,本文将部分文献中有关下承式钢管混凝土拱桥非线性的结论做了归纳总结,通过对比分析得到了一些可供参考的结论。（3）对该桥分别输入三条多遇地震下的已有地震加速度记录,采用动力时程分析法对该桥进行了一致激励下纵向、横向、竖向、纵+竖、横+竖、纵+横+竖六种方输入方式下的地震反应分对比,研究拱肋内力和位移的变化,并找出了对应于该桥的最不利输入方式（4）考虑材料非线性对大跨度钢管混凝土拱桥桥墩地震反应的影响,在等强度和刚度的前提条件下,将该桥桥墩换算为具有抵抗大震能力的矩形和圆端型空心墩,采用纤维模型对两种桥墩做了罕遇地震作用下弹塑性分析比较,得到了一些有意义的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 钢管混凝土拱桥的发展概况及其研究现状
• 1.2 国内已建成的大跨度钢管混凝土拱桥
• 1.3 桥梁震害分析
• 1.4 桥梁抗震分析方法
• 1.4.1 静力法
• 1.4.2 动力反应谱法
• 1.4.3 动态时程分析法
• 1.4.4 随机振动法
• 1.5 影响大跨度桥梁地震响应的非线性问题
• 1.5.1 几何非线性的影响
• 1.5.2 桥墩的弹塑性
• 1.5.3 支撑连接条件的非线性
• 1.6 论文研究的意义和内容
• 2 桥梁结构地震反应分析理论
• 2.1 引言
• 2.2 地震动的输入理论
• 2.3 一般多自由度体系地震振动方程的建立
• 2.4 地震振动方程的求解方法
• 2.4.1 振型叠加法
• 2.4.2 直接积分法（动态时程分析法）
• 2.5 反应谱理论
• 2.5.1 反应谱的定义
• 2.5.2 最大地震力的确定
• 2.5.3 振型组合方法
• 2.6 几何非线性分析理论
• 2.6.1 几何非线性方程的建立
• 2.6.2 几何非线性方程的求解方法
• 2.7 本章小结
• 3 大跨度铁路钢管混凝土拱桥动力特性分析
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 结构设计
• 3.1.2 计算荷载与计算参数
• 3.1.3 主要建筑材料
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.3 桥梁的自振特性分析理论
• 3.4 模态分析
• 3.5 几何非线性对大跨铁路拱桥动力特性的影响
• 3.6 本章小结
• 4 大跨度铁路钢管混凝土拱桥的反应谱分析
• 4.1 规范反应谱
• 4.2 反应谱曲线
• 4.3 几何非线性与线性反应谱分析对比
• 4.3.1 几何非线性对关键截面内力的影响
• 4.3.2 几何非线性对拱肋内力和位移的影响图
• 4.4 本章小结
• 5 大跨度铁路钢管混凝土拱桥的时程分析
• 5.1 地震波的输入依据
• 5.2 地震动加速度时程的选择
• 5.3 地震波一维激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.3.1 地震波纵向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.3.2 地震波横向激励下拱肋内力包络图
• 5.3.3 地震波竖向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.4 地震波二维激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.4.1 地震波纵向+竖向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.4.2 地震波横向+竖向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.5 地震波三维激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.5.1 地震波纵向+（0.3）横向+（0.3）竖向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.5.2 地震波（0.3）纵向+横向+（0.3）竖向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.5.3 地震波（0.3）纵向+（0.3）横向+竖向激励下拱肋内力和位移包络图
• 5.6 地震波一维、二维、三维激励下拱肋内力和位移包络图对比
• 5.7 本章小结
• 6 基于纤维模型铁路桥墩的弹塑性分析
• 6.1 计算实例
• 6.2 纤维模型原理
• 6.3 本构模型及设计参数
• 6.4 弹塑性分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 7.1 本文所做工作及结论
• 7.2 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果