全无缝半整体式桥梁抗震性能研究
The Research on the Seismic Performance of Fully Jointless Semi-integral Bridges
我国是全球地震灾害很严重的国家,强烈的地震易导致桥梁结构破坏,带来巨大的经济损失.国外多次地震灾害和大量的抗震研究已经表明:无缝桥梁是中小梁桥中抗震性能非常优异的桥型,属于"耐震结构体系".本人所在的湖南大学研究团队提出的新型"全无缝半整体式桥梁"(简称"全无缝桥梁")性能比国外整体式桥台桥梁更加优异.历经十多年的研究实践,虽然已经建立了全无缝半整体式桥梁完善的常规设计与施工方法,但其抗震性能还从未进行过分析和评估.为了完成"全无缝半整体式桥梁抗震性能研究"这一主题,本文主要工作和创新如下:(1)研究了配筋接线路面弹塑性拉伸力学特性.基于钢筋混凝土单轴拉伸平均应力-应变本构模型,采用解析方法推导接线路面拉伸力-变形骨架曲线理论模型,并采用Matlab编辑非线性求解程序.采用1:1足尺室内模型试验研究接线路面弹塑性拉伸特性,并与解析理论进行对比.基于接线路面拉伸理论模型,采用参数敏感性分析方法,更加全面的分析和掌握接线路面力学特性.确定接线路面板的性能点,并以此定义了接线路面板的位移损伤指标和线性简化模型.(2)研究了台后接线路面体系精细化有限元模型.台后接线路面体系的模拟比较复杂,涉及到地梁-土相互作用、轴-弯-剪钢筋混凝土接线路面板以及路基与接线路面板界面的摩擦耗能效应.对适合模拟钢筋混凝土墙板轴-弯-剪特性的宏观模型、桁架模型、微观模型和(剪切型)纤维模型进行了全面的分析,确定出适合模拟接线路面板特性的模型.推导和阐述截面剪切型纤维模型3D单元方程和截面剪切模型参数确定方法,并采用OpenSees软件建立了接线路面板模型.同样对适合地梁-土相互作用的刚性挡墙土压力模型进行了全面的分析,选定适应墙高变化的EHFD模型作为地梁-土相互作用分析模型,并采用OpenSees进行了建模.(3)研究了全无缝半整体式桥梁的动力特性和地震响应敏感性参数.建立全无缝半整体式桥梁和改造前连续梁桥的3D弹性有限元模型.采用模态分析方法对比研究了全无缝半整体式桥梁和连续梁桥模态的差别.采用反应谱法分别对接线路面刚度、支座刚度、桥墩高度、桥梁全长、斜交角度等参数进行了敏感性分析,并以此给出相应设计构造建议.(4)研究提出了全无缝半整体式桥梁的抗震构造措施.基于已确定的台后接线路面体系精细有限元模型,建立了全无缝桥梁3D非线性有限元模型.分析搜选出了适合非线性时程分析和后续易损性分析的数条典型地震波.为了进一步增强在强震作用下全无缝桥梁纵桥向的抗震能力,采用设置1道和2道地梁的全无缝桥梁进行了8度、9度地震烈度下的非线性时程分析.同样,为了增强在强震作用下全无缝桥梁横桥向的抗震能力,对不同支座刚度、不同横向挡块-主梁间隙进行了时程分析.由于支座刚度和挡块间隙的构造只是在平衡上部结构下部结构的响应,本文结合全无缝桥梁结构特点,在搭板枕梁两端设置整体化的横向挡墙,通过挡墙-土相互作用增强接线路面体系横向刚度.进了强震下挡块尺寸参数分析,给出了新型搭板枕梁构造设计.(5)分析和评估了全无缝半整体式桥梁的易损性.给出桥墩、支座、地梁和接线路面板基于位移的损伤指标.结合规范地震强度等级,对全无缝桥梁和连续梁桥同时进行了数条地震波、8级增量的增量动力分析(IDA),得到各构件足够数量的地震需求响应值.线性拟合这些数据得到需求概率模型.联合损伤指标和需求概率模型得到各级损伤状态、各构件的易损性曲线.采用一阶界限法得到桥梁系统易损性曲线.通过易损性曲线的分析和各级地震的抗震评估,定量的掌握了全无缝半整体式桥梁的抗震性能.
- 作者：
- 马永春
- 学位授予单位：
- 湖南大学
- 专业名称：
- 桥梁与隧道工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 邵旭东
- 中图分类号：
- U442.55
- 关键词：
- 无缝桥梁；半整体式；地震；易损性分析；土-结构相互作用；钢筋混凝土板；纤维梁柱单元；枕梁
- Jointless bridge; Semi-integral; Earthquake; Seismic fragility; Soil-structure interactoin; Reinforced concrete slab; Fiber beam-column element; Sleeper beam;