近場豎向地震作用下橋梁多次碰撞響應(yīng)和特性研究.pdf

1、隨著地震監(jiān)測網(wǎng)的加密和監(jiān)測手段的更新，越來越多的近場地震的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，豎向地震加速度幅值往往超出了預(yù)期值。近年來坂神、集-集和汶川等近場地震造成的嚴(yán)重橋梁震害不能全部用傳統(tǒng)的水平地震震因解釋，如環(huán)形裂縫，支座斷裂和橋墩局部破壞等，而用豎向地震震因解釋被認(rèn)為更合理。
　　高幅值的豎向地震動(dòng)被認(rèn)為可以拋起主梁，分離橋梁與支座，導(dǎo)致橋梁再次落下時(shí)與支座產(chǎn)生重碰撞(pounding)。由此產(chǎn)生的橋梁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)涉及變接觸約束拓?fù)錁?gòu)形、橋梁

2、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的碰撞波動(dòng)效應(yīng)、局部結(jié)構(gòu)破壞和非線性動(dòng)力效應(yīng)等復(fù)雜力學(xué)問題，理論和數(shù)值研究困難大。
　　由于直接到現(xiàn)場實(shí)地觀察幾無可能，目前有關(guān)豎向地震引發(fā)橋梁震害的解釋，僅是根據(jù)震后橋梁損壞狀態(tài)所作的字面上的判斷和猜測，沒有理論依據(jù)和數(shù)值計(jì)算依據(jù)，存在相當(dāng)?shù)臓幾h，并且也有一些其它不同的解釋。缺乏必要的可靠理論方法的分析結(jié)果，甚至尚缺乏橋梁豎向地震響應(yīng)的基礎(chǔ)性研究。與橋梁的水平地震響應(yīng)相比，豎向地震響應(yīng)的研究缺乏，缺乏對(duì)橋梁豎向地震的基本

3、認(rèn)識(shí)，甚至缺乏基本的理論研究方法。
　　本文運(yùn)用瞬態(tài)波特征函數(shù)展開法，建立了帶橡膠支座橋梁在近場豎向地震作用下碰撞響應(yīng)分析的理論方法，研究了橋梁豎向碰撞響應(yīng)的若干基本特征。本文的主要研究工作包括:
　　(1)針對(duì)近場豎向地震動(dòng)引起的橋梁多次碰撞響應(yīng)問題，建立了“梁-彈簧-桿”連續(xù)體模型，采用瞬態(tài)波特征函數(shù)展開法，考慮主梁與支座碰撞接觸與分離狀態(tài)的切換，以及碰撞波在橋梁內(nèi)的傳播效應(yīng)，建立了既可以分析橋梁碰撞瞬態(tài)響應(yīng)，又可以完成

4、全地震周期內(nèi)橋梁地震響應(yīng)分析的理論研究方法。
　　(2)針對(duì)人工簡諧豎向地震動(dòng)作用，研究了帶橡膠支座雙跨連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)。運(yùn)用瞬態(tài)波特征函數(shù)展開法，推導(dǎo)了橋梁多次碰撞響應(yīng)的理論解。數(shù)值研究了理論解對(duì)計(jì)算時(shí)間步長和波模態(tài)截?cái)鄶?shù)的收斂性，計(jì)算了地震波和碰撞激發(fā)瞬態(tài)波在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播，觀察了多次碰撞現(xiàn)象，研究了豎向地震激勵(lì)周期和幅值的影響，探討了碰撞響應(yīng)與豎向地震激勵(lì)的關(guān)系，以及碰撞響應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響。發(fā)現(xiàn)的橋梁若干異常損壞形

5、式與橋梁豎向地震下的碰撞響應(yīng)存在密切的聯(lián)系。
　　(3)針對(duì)人工簡諧豎向地震動(dòng)作用，通過改變地震激勵(lì)周期、橋梁結(jié)構(gòu)固有周期和地震激勵(lì)幅值，大量計(jì)算了豎向碰撞次數(shù)和最大碰撞力，詳細(xì)研究了豎向地震激勵(lì)周期、豎向地震激勵(lì)幅值和橋梁結(jié)構(gòu)固有周期對(duì)豎向碰撞的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著豎向地震激勵(lì)周期的變化，橋梁間斷出現(xiàn)了3個(gè)豎向碰撞區(qū)，3個(gè)豎向碰撞區(qū)分別處在橋梁的前3階豎向固有振動(dòng)周期附近，碰撞區(qū)的出現(xiàn)與豎向地震激勵(lì)幅值有關(guān)。另外，近場豎向地震激勵(lì)

6、，容易引發(fā)處在橋梁的第2階和第3階豎向固有振動(dòng)周期附近的豎向碰撞，與遠(yuǎn)場地震響應(yīng)明顯不同。
　　(4)對(duì)比分析了“梁-彈簧-桿”連續(xù)體模型和“梁-桿”連續(xù)體模型，研究表明“梁-彈簧-桿”連續(xù)體模型更為合理。系統(tǒng)研究了橋梁結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)橋梁豎向地震下的碰撞特性和響應(yīng)的影響，研究表明橋梁支座剛度、主梁跨度和抗彎剛度的影響明顯，橋墩高度和橋墩彈性模量的影響不大，但是，在高墩橋下出現(xiàn)了第4個(gè)碰撞區(qū)。因此，合理設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)有可能降低豎向地

7、震下橋梁碰撞的烈度和出現(xiàn)頻次，提高橋梁抵抗豎向地震的能力。
　　(5)對(duì)實(shí)際近場豎向地震動(dòng)記錄的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析，將其展開成各頻率成份簡諧波的疊加，考慮橋梁支座的作用，采用瞬態(tài)波特征函數(shù)法，推導(dǎo)了實(shí)際近場豎向地震動(dòng)作用下帶支座橋梁結(jié)構(gòu)多次碰撞響應(yīng)的理論解。并且，建立橋梁結(jié)構(gòu)三維彈性有限元模型，用于對(duì)比理論解和有限元方法計(jì)算的結(jié)果，驗(yàn)證理論方法的可靠性和精度。通過數(shù)值算例，計(jì)算了實(shí)際近場豎向地震動(dòng)作用下帶支座

8、橋梁結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)，研究了實(shí)際近場豎向地震動(dòng)作用下多次豎向碰撞特性。研究表明本文建立的理論方法可以用來指導(dǎo)有限元模型的建立，判斷有限元數(shù)值結(jié)果的正確性。在實(shí)際近場豎向地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)可能發(fā)生豎向碰撞現(xiàn)象和多次豎向碰撞現(xiàn)象。豎向碰撞現(xiàn)象出現(xiàn)近場豎向地震的主要激勵(lì)周期與橋梁整體結(jié)構(gòu)的前2階固有振動(dòng)周期逼近時(shí)，并且在橋梁第2階固有振動(dòng)周期附近的碰撞，其作用效果接近甚至超過在橋梁第1階固有振動(dòng)周期附近的碰撞。在強(qiáng)近場豎向地震動(dòng)激勵(lì)作用下，在橋