非規(guī)則橋梁地震模擬振動臺試驗及碰撞反應(yīng)譜研究.pdf

1、曲線橋梁已被廣泛用于公路立交區(qū)以及跨海大橋引道等。由于平面和立面不規(guī)則，曲線橋梁在地震作用下，存在多種變形耦合效應(yīng)，力學(xué)性能復(fù)雜。實際地震是多點多維的復(fù)雜運動，由于行波效應(yīng)、場地效應(yīng)和不相干效應(yīng)等因素，大跨度曲線橋梁各個支點受到的地震激勵不同，加之曲線橋梁的不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)實際受到的地震作用更為復(fù)雜，僅僅考慮單點或一維或地震作用并不能滿足抗震需求，應(yīng)考慮多點或多維地震耦合作用。震害表明，地震引發(fā)的梁體間碰撞效應(yīng)顯著，是引起橋梁災(zāi)害的重要因

2、素之一。結(jié)合震害調(diào)研和科學(xué)試驗，建立正確、合理的力學(xué)模型和分析方法，研究非規(guī)則橋梁在多點或多維地震激勵下的動力反應(yīng)和破壞模式，研究橋梁碰撞效應(yīng)和損傷機理，是非規(guī)則橋梁抗震研究的重要課題。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計和制作幾何相似比為1/20的兩跨鋼筋混凝土C形和S形曲線橋梁實體模型，采用擴展振動臺系統(tǒng)進(jìn)行了單向非一致激勵下的地震模擬振動臺試驗。分析了這兩種曲線橋梁在單向非一致激勵下的破壞形態(tài)和地震響應(yīng)特征，用于指導(dǎo)該類型曲線橋

3、梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。⑵設(shè)計和制作了幾何相似比為1/20的鋼筋混凝土人字形異性箱梁截面曲線橋梁，進(jìn)行了多維激勵下的地震模擬振動臺試驗。研究了在多維激勵下該非規(guī)則橋梁直線梁和曲線梁的動力響應(yīng)及差異，并對該類型橋梁分支處的梁和墩響應(yīng)、碰撞效應(yīng)進(jìn)行了分析和探討。⑶采用碰撞接觸單元模擬梁體間碰撞力，建立了橋梁結(jié)構(gòu)碰撞力學(xué)模型，推導(dǎo)了相應(yīng)的多自由度體系動力學(xué)方程。提出利用精細(xì)積分法求解碰撞運動方程的思路，并進(jìn)行算例驗證，證明了精細(xì)積分法應(yīng)用于碰撞動力

4、分析精度高、穩(wěn)定和可靠的特點，使碰撞問題求解的計算效率和計算精度得到較大幅度提高。⑷將橋梁伸縮縫處兩側(cè)主梁和下部結(jié)構(gòu)做理論簡化，取被簡化為兩個單自由度體系的典型相鄰聯(lián)跨梁進(jìn)行研究，并據(jù)此設(shè)計和制作了忽略幾何相似比的四組碰撞結(jié)構(gòu)試件，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)碰撞的地震模擬振動臺試驗，探討了結(jié)構(gòu)碰撞力響應(yīng)的影響因素和影響程度等。⑸基于結(jié)構(gòu)碰撞地震模擬振動臺試驗，將線彈性模型、粘彈性模型、非線彈性模型和非線彈性-阻尼模型用于碰撞過程中碰撞力的數(shù)值模擬，并根

5、據(jù)結(jié)構(gòu)的碰撞力確定了碰撞接觸模型參數(shù)；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對四種接觸單元模型的特點和適用性進(jìn)行分析；結(jié)合已有碰撞試驗和理論研究，探討了碰撞接觸單元模型碰撞剛度的取值問題。⑹提出了結(jié)構(gòu)碰撞力反應(yīng)譜概念，基于結(jié)構(gòu)碰撞地震模擬振動臺試驗參數(shù)和精細(xì)積分法計算，進(jìn)行了碰撞力反應(yīng)譜研究，探討了包括碰撞接觸剛度、恢復(fù)系數(shù)、間隙、阻尼比和質(zhì)量等參數(shù)對結(jié)構(gòu)碰撞效應(yīng)的影響。⑺提出采用并行計算算法進(jìn)行數(shù)值計算的策略，由編程語言創(chuàng)建多個并行計算任務(wù)，最大程度發(fā)揮

6、多CPU計算機平臺性能，有效提高了結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)譜的計算效率。⑻提出碰撞加速度反應(yīng)譜和碰撞動力系數(shù)反應(yīng)譜概念，進(jìn)行了考慮碰撞和不考慮碰撞的加速度反應(yīng)譜的分析與對比，探討了阻尼比和間隙等參數(shù)對結(jié)構(gòu)碰撞效應(yīng)的影響；為探討結(jié)構(gòu)碰撞平均響應(yīng)相對于地震動輸入的放大量值，采用Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類場地的地震動輸入，進(jìn)行了不同場地碰撞動力系數(shù)反應(yīng)譜研究，分析不同場地的地震動輸入下，阻尼比和間隙等參數(shù)對碰撞效應(yīng)的影響程度。⑼建立人字形曲線橋梁分析模型，進(jìn)行了多