近場豎向地震作用下橋梁多次碰撞響應和特性研究.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期值。近年來坂神、集-集和汶川等近場地震造成的嚴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為更合理。
　　高幅值的豎向地震動被認為可以拋起主梁，分離橋梁與支座，導致橋梁再次落下時與支座產(chǎn)生重碰撞(pounding)。由此產(chǎn)生的橋梁動力學響應涉及變接觸約束拓撲構形、橋梁

2、結構內(nèi)部的碰撞波動效應、局部結構破壞和非線性動力效應等復雜力學問題，理論和數(shù)值研究困難大。
　　由于直接到現(xiàn)場實地觀察幾無可能，目前有關豎向地震引發(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)值計算依據(jù)，存在相當?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果，甚至尚缺乏橋梁豎向地震響應的基礎性研究。與橋梁的水平地震響應相比，豎向地震響應的研究缺乏，缺乏對橋梁豎向地震的基本

3、認識，甚至缺乏基本的理論研究方法。
　　本文運用瞬態(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分析的理論方法，研究了橋梁豎向碰撞響應的若干基本特征。本文的主要研究工作包括:
　　(1)針對近場豎向地震動引起的橋梁多次碰撞響應問題，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，建立了既可以分析橋梁碰撞瞬態(tài)響應，又可以完成

4、全地震周期內(nèi)橋梁地震響應分析的理論研究方法。
　　(2)針對人工簡諧豎向地震動作用，研究了帶橡膠支座雙跨連續(xù)梁橋的地震響應。運用瞬態(tài)波特征函數(shù)展開法，推導了橋梁多次碰撞響應的理論解。數(shù)值研究了理論解對計算時間步長和波模態(tài)截斷數(shù)的收斂性，計算了地震波和碰撞激發(fā)瞬態(tài)波在橋梁結構內(nèi)的傳播，觀察了多次碰撞現(xiàn)象，研究了豎向地震激勵周期和幅值的影響，探討了碰撞響應與豎向地震激勵的關系，以及碰撞響應對橋梁結構安全的影響。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存在密切的聯(lián)系。
　　(3)針對人工簡諧豎向地震動作用，通過改變地震激勵周期、橋梁結構固有周期和地震激勵幅值，大量計算了豎向碰撞次數(shù)和最大碰撞力，詳細研究了豎向地震激勵周期、豎向地震激勵幅值和橋梁結構固有周期對豎向碰撞的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著豎向地震激勵周期的變化，橋梁間斷出現(xiàn)了3個豎向碰撞區(qū)，3個豎向碰撞區(qū)分別處在橋梁的前3階豎向固有振動周期附近，碰撞區(qū)的出現(xiàn)與豎向地震激勵幅值有關。另外，近場豎向地震激勵

6、，容易引發(fā)處在橋梁的第2階和第3階豎向固有振動周期附近的豎向碰撞，與遠場地震響應明顯不同。
　　(4)對比分析了“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)研究了橋梁結構和材料參數(shù)橋梁豎向地震下的碰撞特性和響應的影響，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個碰撞區(qū)。因此，合理設計的橋梁結構有可能降低豎向地

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)對實際近場豎向地震動記錄的離散數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(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，推導了實際近場豎向地震動作用下帶支座橋梁結構多次碰撞響應的理論解。并且，建立橋梁結構三維彈性有限元模型，用于對比理論解和有限元方法計算的結果，驗證理論方法的可靠性和精度。通過數(shù)值算例，計算了實際近場豎向地震動作用下帶支座

8、橋梁結構碰撞響應，研究了實際近場豎向地震動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有限元模型的建立，判斷有限元數(shù)值結果的正確性。在實際近場豎向地震作用下，橋梁結構可能發(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周期與橋梁整體結構的前2階固有振動周期逼近時，并且在橋梁第2階固有振動周期附近的碰撞，其作用效果接近甚至超過在橋梁第1階固有振動周期附近的碰撞。在強近場豎向地震動激勵作用下，在橋