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土木工程视角下矮墩长桩大跨长联连续梁桥减震技术研究

日期:2020年04月22日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:265
论文价格:150元 论文编号:lw202004202222469211 论文字数:39255 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文基于包树黄河特大桥的特点,研究了其下部结构桩基础的模拟和桩基自由长度的影响、非线性时程下阻尼系数 C 和速度指数?的取值以及阻尼器的布设方案等问题,研究主要结论如下:(1)对于地基较软弱、存在沙土液化情况且处于强震区的近百米长桩,分别采用 6个线性弹簧和三维梁单元模拟了桩基。计算结果表明当桩基自由长度接近时,两种模式下桥梁结构的典型振型与周期也比较接近,即两种计算模式对桥梁动力特性分析的影响差别较小,只是由于线性弹簧法只有考虑桩基整体的刚度,考虑不到单桩的质量分布,对局部桩基内力结果的影响较大。建议如果只是研究桥梁的动力特性或墩、梁、承台的内力情况,不研究单桩的受力情况,可采用 6 个线性弹簧进行模拟基础,减少创建模型的工作量,如果需要计算单桩的受力情况,则建议采用三维梁单元模拟桩基础。


第 1 章 绪论


1.1 选题背景

我国国土面积幅员广阔,陆地面积九百六十万平方公里,受地球板块的影响,我国位于环太平洋和欧亚两大地震带之间,导致地震断裂带十分发育,地震活跃。从上个世纪 90 年代开始,伴随着经济的快速发展,我国的交通基建也随之高速发展,一条条蜿蜒的巨龙在我国广袤的疆域内延伸。但是,这些蜿蜒的巨龙,势必会穿越地震带。

本课题的背景工程“包树黄河特大桥”位于地震烈度Ⅷ度的强震区,具有较高的地震动峰值加速度,桥梁所在位置地质条件欠稳定。本项目位于内蒙古自治区包头市,属于“华北地震区”,是我国五大地震区中地震强度和频率第二大地震区。近 30 年来,包头市共爆发过三次有记载的地震,分别爆发在 1996 年 5 月、2007 年 5 月和 2014 年 8月,人员伤亡均较少或无人员伤亡。由此可见,该地区发生地震的概率较高,偶发强震的几率较大。

桥梁工程是一条道路中的重要节点工程,经常被誉为“生命线工程”,但在地震发生时,桥梁工程却显得十分脆弱。地震中,桥梁结构的严重损害不仅影响灾后交通,同时,地震之后,很多在地震中遭到破坏的桥梁都需要进行修缮,这需要动用大量的技术人员和相当多的资金投入。

为了抵御地震造成的各种损失,人们开始对工程抗震进行系统的研究,同时随着对地震的进一步了解,科学家和工程技术人员也提出了很多抵御地震灾害和降低地震带来的损失的方法。针对抗震设计,传统的思路是统筹考虑项目所在区域的环境、场地、结构、材料以及构造物的强度、刚度和稳定性,通过“硬碰硬”的方法来提高构造物抵御地震的能力,“硬碰硬”就是通过加大结构断面和多配钢筋等手段来加强结构自身来应对地震,从而提高结构的抗震能力。这种方式实际上是把构造物自身和主要承重结构作为“消耗能量”的构件,由于结构在弹性变形时不能消耗能量,故构造物需要在塑性变形阶段消耗地震输入的能量,这种代价比较大,容易导致构造物出现各种程度的破坏。我们都知道,地震的发生是不可预知时间与地点的,其发生时的变化也无明显规律,这就使得桥梁构造物在地震中的破坏是难以掌控的。尤其是在较强地震发生时,构造物的安全性难以保证。可见,这种“硬碰硬”的方法存在明显的不足之处,故目前工程界越来越注意到减隔震技术的应用。

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1.2 连续梁桥的主要震害

连续梁桥其实是梁式桥的一种形式,与普通的简支梁桥不同,连续梁桥为超静定结构。相对于简支梁桥,其具有刚度较大、伸缩缝少、跨越能力强等特点。作为预应力混凝土桥梁的一种典型并且是十分常见的一种结构形式,该种桥梁从设计到施工均具有相当成熟的技术水平,同时其养护也相对简单,正因为如此,该种桥梁到目前仍然被广泛的使用。

由于预应力混凝土连续梁桥具有其特有的结构特点,这样决定了其较适宜的跨径为30m 至 200m 这个区间,所以,国内、外在这个跨径区间建造了大量的预应力混凝土连续梁桥。同时通过对地震中该种桥梁的调查研究发现,该种桥梁在地震中也无法避免非常严重的损坏。研究表明,由于连续梁桥的空间跨度较大,地震时其振动的周期相对较长,所以在强烈地震的时候,极易发生损坏,而且调查发现,连续梁桥往往在地震中容易出现桥墩的损坏或者主梁发生较大的位移。通常情况下,常规的预应力混凝土连续梁桥在地震中主要出现主梁的损坏、支座的损坏、墩台的损坏和基础的损坏。

1.2.1 主梁的损坏

由于连续梁桥自身的结构特点,在地震中,连续梁桥的主梁在其结构本身直接遭到损坏的情况相对少见,往往是因为桥梁支座或桥梁下午结构的损坏或失稳,导致主梁发生扭转或移动,从而造成损坏。有些梁体由于位移移动过大,导致梁体横向掉落或等损坏现象。如图 1-1 所示。另外,由于桥梁自身振动周期存在不同,两联相邻的连续梁之间也会发生严重的撞击,造成损坏或落梁。

图 1-1 桥梁上部结构震害图

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第 2 章 桥梁抗震分析常用方法


2.1 引言

我国有着悠久的桥梁建造史,但在桥梁抗震方面的理论分析研究却起步较晚,这方面,欧洲、美国和日本做的比我国要早。目前,结合地震运动的特征,构造物的地震反应研究大致分为两类,一类是明确性的地震反应分析,此类的分析研究是把地震的运动看成非常明了的过程;另一类则是不确定性的地震反应分析法,此时是把地震的运动看成随机过程进行分析研究。

到目前为止,由于“随机性”的“不确定性”特点,将地震的运动看成随机过程进行分析研究仍然是一个世界性的难题,所以导致对地震反应的分析采用概率性的方法还处于摸索研究阶段。因此,在各个国家或地区的桥梁抗震设计规范中,把地震的运动当成明确过程进行分析研究是一个主流现象,即采用确定性的地震反应分析。经过一百多年的发展研究,弹性静力法、反应谱法和时程分析法相继出现,这些均属于明确性的地震反应分析的方法。

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2.2反应谱法

2.2.1反应谱方法的简述

相比弹性静力法,反应谱法将构造物自身的动力学性能与地面运动结合在一起进行分析研究,可以更加真实的反应构造物在地震时的情况。反应谱法不仅适用于单自由度体系,由于多自由度体系可根据一定的规律转换成多个单自由度体系,所以,该方法也适用于多自由度体系。一般来说,采用反应谱法进行抗震研究时,首先,是分析研究构造物所在位置的以往地震的记录材料,同时选用相应的反应谱曲线;其次,是通过振型分析理论,结合构造物本身的振动特征,分解振动方程,构造物在物理学意义下的位移是需要通过一种特定的坐标来表达,这种特定的坐标就是广义坐标;最后,采用合理的方式对各振型表示的最大值进行组合,从而得出反应的最大值。

实际上,反应谱方法虽然很容易理解和应用,但也忽视了很多现实的问题,这也是该方法存在一些不足之处的根源所在。众所周知,构造物在地震发生时其实不是单纯的弹性变形过程,有时候构造物的某个部位会迅速达到塑性变形,这就不适用建立在弹性理论基础之上的反应谱方法。另外,反应谱方法只能研究构造物在静态时的情况,但地震是一个动态过程,包括时间和空间。最后,反应谱方法研究抗震性能,考虑的是构造物的强度问题,并未考虑构造物的延性问题。总体来说,反应谱方法相对于弹性静力方法还是有了较大的进步,但其仍然具有一定的局限性。
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第 3 章 桥梁的力学模型建立以及动力特性分析.................15

3.1 工程背景...................15

3.1.1 桥梁概况........................15

3.1.2 场地条件...................................17

第 4 章 主桥的反应谱分析..................................30

4.1 引言........................................30

4.2 反应谱的选择................................... 30

第 5 章 主桥时程反应分析及减震技术研究....................... 43

5.1 引言................................43

5.2 地震波的选择与输入................................43


第 5 章 主桥时程反应分析及减震技术研究


5.1 引言

本章以黄河特大桥主桥为研究对象,采用第 3 章创建的模式二(三维梁单元模拟基础)模型,首先分别在 P1 概率和 P2 概率下进行线性地震时程反应分析,然后再进行非线性地震时程反应分析,通过分析而得出阻尼系数 C 和阻尼器速度指数α的合理取值范围,然后再基于既定参数通过非线性地震时程反应分析对阻尼器的布设方案进行比选研究。

地震发生时,震源释放出的能量会以波的形式进行传播,强烈地震由于释放的能力极大,这种地震波就会传播到地面处,并引发地面的剧烈振动,而这种地面振动就会造成地表的房屋、桥梁等的振动,此时,这些构造物就要开始承受地震带来的作用。在对桥梁结构进行时程反应分析时,往往将地震动的输入作为分析的依据,所以,在运用时程分析法的时候,首先就是要选取合适的地面运动输入,通常情况下,我们选择的是地震加速度时程作为地震动的输入。选择加速度时程还需要掌握 3 个基本特征,包括:振幅(加速度峰值的大小)、波形与持续的时间(强震)。

一般情况下,可作为桥梁时程分析的地震波有 3 中:①桥址的实地地震记录;②已在过去发生的强烈地震的记录;③人工地震波。

图 5-1 P1 概率地面时程曲线

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第 6 章 结论与展望


6.1 结论

本文基于包树黄河特大桥的特点,研究了其下部结构桩基础的模拟和桩基自由长度的影响、非线性时程下阻尼系数 C 和速度指数

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