多点激励下大跨度钢筋混凝土桥梁地震响应振动台阵试验研究

论文摘要

桥梁是交通生命线系统的重要枢纽工程，其抗震安全问题一直是学术界和工程界的关注焦点。对于地质条件复杂、空间跨度大的长大桥梁，地震动行波效应和土—结构相互作用（SSI）效应是其地震响应分析中两个关键问题。然而，目前对于多点激励下考虑SSI效应的大跨度桥梁地震响应特性问题，尚缺乏深入的理论分析和系统的试验研究。本文以大跨度连续刚构桥、连续梁桥、连续刚构—简支梁组合桥为研究对象，通过模拟地震振动台阵试验，系统地研究了多点激励下大跨度桥梁的地震响应特征，揭示了行波效应和SSI效应对大跨度桥梁地震响应的影响规律，为建立大跨度桥梁抗震设计理论与方法提供了重要的试验依据。本文的主要研究工作和创新性成果包括如下几个方面：（1）考虑行波效应和SSI效应的大跨度钢筋混凝土刚构—连续梁组合桥非线性地震响应数值模拟分析。选取El-Centro地震波、唐山地震北京波，分析了某六跨钢筋混凝土刚构—连续梁组合桥在一致激励和行波激励下的非线性地震响应，研究了行波效应和SSI效应对该刚构—连续梁组合桥地震响应的影响规律。结果表明，行波效应增大了箱梁的受力，箱梁应力峰值随视波速增大单调递减；行波效应使墩梁固结桥墩的受力和变形呈非单调变化规律，地震响应峰值随视波速增大而先减小后增加；SSI效应增大了桥梁结构地震响应，其峰值随剪切波速增大单调递减；同时考虑行波效应和SSI效应，地震响应峰值随视波速变化曲线的拐点位置和切线斜率均发生改变，其地震响应幅值不是两种效应影响下的简单叠加；行波效应和SSI效应对桥梁地震响应的影响程度随地震波和墩梁约束条件的不同而有所差异。（2）考虑行波效应和局部场地效应的大比例连续刚构桥模型振动台阵试验研究。选取El-Centro地震波、唐山地震北京波、汶川地震波，对一1:10比例的三跨连续刚构桥模型进行了振动台阵试验，系统分析了一致激励、行波效应和局部场地效应对该连续刚构桥地震响应的影响规律。结果表明，行波效应增大了桥梁结构的地震响应，但其峰值随视波速的增加而单调递减；局部场地效应增大了桥墩变形和墩底受力，但降低了墩梁固结节点受力；同时考虑行波效应和局部场地效应时，桥墩的地震响应比一致激励以及单独考虑行波效应和局部场地效应时有所增大；各个桥墩因其约束形式、承担上部结构荷载等因素的差异而对行波效应、局部场地效应的敏感程度不同；刚构桥对地震动频谱特性十分敏感，不同的地震波作用下，地震响应峰值及增幅均有明显差异。（3）考虑行波效应和SSI效应的大比例连续刚构桥模型振动台阵试验研究。拟合三条人工地震波，对上述三跨连续刚构桥模型进行了考虑SSI效应的振动台阵试验，系统分析了行波效应和SSI效应对该连续刚构桥模型地震响应的影响规律。结果表明，地震动频谱特性对考虑SSI效应的桥梁结构地震响应有一定影响，同时考虑SSI效应使桥梁结构墩底的输入地震动峰值和频谱分布发生较大变化；桥墩与上部结构连接形式是影响SSI效应界面力的重要因素，而剪切波速和土层厚度则是影响SSI效应的重要因素；考虑行波效应和SSI效应均增大了桥墩变形、墩底受力和墩梁固结节点受力；同时考虑行波效应和SSI效应，由于输入地震动存在相位差，连续刚构桥的地震响应不是单独考虑行波效应或SSI效应的地震响应的简单叠加，且输入和响应的双重相位差使得同时考虑两种效应的地震响应分析更为复杂；验证了实时耦联动力子结构试验技术的可行性和有效性。（4）考虑SSI效应的大比例连续梁桥模型振动台阵试验研究。选取El-Centro地震波、集集（CHI-CHI）地震波和人工地震波，对一1:10比例的四跨高架连续梁桥模型进行了考虑SSI效应的振动台阵试验，系统地分析了SSI效应对连续梁桥地震响应的影响规律。结果表明，SSI效应增大了桥墩变形、墩底受力及墩顶水平加速度，地震响应峰值随剪切波速的减小而单调递增，说明剪切波速是影响SSI效应的重要因素；桥梁结构的加速度响应、位移响应和应变响应对SSI效应的敏感程度有所差异，其中加速度响应对SSI效应最敏感，考虑SSI效应后增幅最大，且SSI效应将引起支座位移的剧烈变化；进一步验证了实时耦联动力子结构试验技术的可行性和有效性。（5）大跨度钢筋混凝土连续刚构—简支梁组合桥模型振动台阵试验研究。选取El-Centro地震波、唐山地震北京波和汶川地震波，对由前述三跨连续刚构桥模型与一跨简支梁桥模型组成的连续刚构—简支梁组合桥模型进行了振动台阵试验，系统地分析了桥梁碰撞对该组合桥各部位地震响应的影响规律，并为桥梁碰撞行为和减隔震装置的精细化模拟提供了试验依据。结果表明，行波效应和桥梁结构邻梁刚度、质量差异均为桥梁邻梁碰撞的诱因；考虑行波效应后，铅芯橡胶支座对邻梁碰撞相对位移和碰撞力的控制能力强于板式橡胶支座，但对结构加速度响应的控制不一定优于板式橡胶支座；不同地震波减隔震效果存在差异，说明隔震支座的隔震效果和粘滞阻尼器的控制效果与地震波频率分布密切相关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究工作
• 第二章 多点激励下大跨度桥梁考虑 SSI效应的地震响应分析
• 2.1 引言
• 2.2 多点激励下大跨度桥梁结构的运动方程
• 2.3 刚构—连续梁组合桥考虑行波效应的地震响应分析
• 2.4 刚构—连续梁组合桥考虑 SSI 效应的地震响应分析
• 2.5 刚构—连续梁组合桥考虑行波效应和 SSI 效应的地震响应分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 多点激励下大跨度钢筋混凝土连续刚构桥的振动台阵试验
• 3.1 引言
• 3.2 三跨连续刚构桥试验方案
• 3.3 行波效应对三跨连续刚构桥地震响应的影响
• 3.4 局部场地效应对三跨连续刚构桥地震响应的影响
• 3.5 多点激励对三跨连续刚构桥地震响应的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 大跨度钢筋混凝土连续刚构桥考虑 SSI 效应的振动台阵试验
• 4.1 引言
• 4.2 动力子结构试验技术原理
• 4.3 考虑 SSI 效应的振动台台面输入加速度
• 4.4 考虑 SSI 效应对三跨连续刚构桥位移响应的影响
• 4.5 考虑 SSI 效应对三跨连续刚构桥应变响应的影响
• 4.6 考虑行波效应和 SSI 效应对三跨连续刚构桥地震响应的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 大跨度钢筋混凝土连续梁桥考虑 SSI效应的振动台阵试验
• 5.1 引言
• 5.2 四跨连续梁桥试验方案
• 5.3 考虑 SSI 效应的振动台台面输入加速度
• 5.4 考虑 SSI 效应对四跨连续梁桥加速度响应的影响
• 5.5 考虑 SSI 效应对四跨连续梁桥位移响应的影响
• 5.6 考虑 SSI 效应对四跨连续梁桥应变响应的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 大跨度钢筋混凝土连续刚构—简支梁组合桥的振动台阵试验
• 6.1 引言
• 6.2 连续刚构—简支梁组合桥地震碰撞试验方案
• 6.3 连续刚构—简支梁组合桥地震碰撞试验分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参与科研情况说明
• 致谢