考慮樁土水耦合的大跨斜拉橋地震響應(yīng)與可靠度研究.pdf

1、隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)能力的顯著增強(qiáng)，大跨度跨江、跨海斜拉橋越來(lái)越多，與此同時(shí)，這類(lèi)橋梁工程的抗震問(wèn)題已成為工程界的熱點(diǎn)。在這些橋梁工程的抗震分析研究中，結(jié)構(gòu)的耦合是準(zhǔn)確分析這些結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的前提條件，當(dāng)然計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)準(zhǔn)確性還取決于地震動(dòng)的特性及輸入形式。全文就結(jié)構(gòu)的耦合，結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)理論在斜拉橋可靠度中的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究，主要工作如下:
　　(1)系統(tǒng)總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外橋梁樁-土-水-結(jié)構(gòu)耦合、斜拉橋動(dòng)力可靠度分析的方

2、法及前沿技術(shù)，提出了大跨度斜拉橋考慮樁-土-水-結(jié)構(gòu)耦合及地震地面運(yùn)動(dòng)的各種空間變化效應(yīng)，闡述了以計(jì)算失效概率為最終目的的可靠度分析的現(xiàn)實(shí)意義。
　　(2)推導(dǎo)了樁-土-結(jié)構(gòu)中對(duì)土邊界處理的粘彈性人工邊界、闡述了規(guī)范中的“m”法、樁土接觸面法，通過(guò)算例驗(yàn)證了推導(dǎo)的粘彈性人工邊界的可靠性。以大跨度蘇通大橋?yàn)樗憷?，運(yùn)用粘彈性人工邊界，對(duì)比分析考慮樁-結(jié)構(gòu)、考慮樁-土-結(jié)構(gòu)耦合、承臺(tái)固結(jié)的三種工況，得出了樁-土-結(jié)構(gòu)耦合使橋自振頻率變小

3、，周期變長(zhǎng)，樁底反力明顯減少，主梁的軸向力與彎矩、拉索的軸力、塔的軸向力與彎矩也明顯減少。說(shuō)明了該斜拉橋?qū)儆谔厝嵝越Y(jié)構(gòu)，在靜力內(nèi)力計(jì)算時(shí)采用塔底固結(jié)模式是安全的，但值偏大。
　　(3)推導(dǎo)了采用附加質(zhì)量計(jì)算方法處理水-結(jié)構(gòu)耦合的方法，并與morison方法、規(guī)范計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比研究，找出了三者的差異，附加質(zhì)量計(jì)算方法與規(guī)范計(jì)算方法原理一致，但morison方程可以考慮水-結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)耦合和阻尼。運(yùn)用morison方程計(jì)算了不同的圓

4、墩直徑和水深的各種工況，得出了墩的直徑越小其影響效應(yīng)越顯著，在波浪和地震作用下考慮流固耦合時(shí)計(jì)算的最大位移響應(yīng)結(jié)果大于未考慮流固耦合的情況，流體附加質(zhì)量效應(yīng)和流固耦合效應(yīng)對(duì)樁柱響應(yīng)均有影響，但其影響趨勢(shì)和影響程度并不相同。以大跨度蘇通大橋作為算例，運(yùn)用附加質(zhì)量方法，對(duì)比分析了樁-土-結(jié)構(gòu)、樁-土-水-結(jié)構(gòu)二種工況，得出了考慮動(dòng)水結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生變化較大，且隨著水深度的增加，頻率逐漸越來(lái)越小，降低趨勢(shì)顯著，且對(duì)主梁、塔的內(nèi)力也影響顯著。

5、因此在大跨度斜拉橋分析時(shí)，深水作用須予以考慮。
　　(4)系統(tǒng)闡述了虛擬激勵(lì)法計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的過(guò)程、地震非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的功率譜密度函數(shù)、行波效應(yīng)、部分相干效應(yīng)和局部場(chǎng)地效應(yīng)的處理方法，運(yùn)用Ruiz和Penzie模型對(duì)蘇通橋場(chǎng)地進(jìn)行了計(jì)算，得到了Ruiz和Penzie模型，運(yùn)用ANSYS平臺(tái)編制了虛擬激勵(lì)法程序，對(duì)大跨度蘇通大橋的進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與時(shí)程分析法、反應(yīng)譜分析法進(jìn)行了比較，得到了該方法的適宜性，為分析結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的響應(yīng)

6、做了有益的探討。
　　(5)研究了大跨度蘇通大橋樁-土-結(jié)構(gòu)、樁-土-水-結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力響應(yīng)差異，考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用后，結(jié)構(gòu)整體剛度比承臺(tái)固結(jié)時(shí)明顯變小，其自振周期變長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)位移明顯比不考慮相互作用時(shí)增加，最大地方達(dá)到了25％左右。樁-土相互作用使上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，其比承臺(tái)固結(jié)時(shí)減少15％左右。樁-土-水-結(jié)構(gòu)比樁-土-結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)增大在10％左右，內(nèi)力增大的幅度在50％左右，位移增加20％左右。在樁-土-水-結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)

7、上又進(jìn)行了行波效應(yīng)、非線(xiàn)性效應(yīng)分析，得出了不同行波速度對(duì)該結(jié)構(gòu)影響是不一致的，非線(xiàn)性效應(yīng)對(duì)順橋方向的內(nèi)力與位移影響較大，增大影響在10％左右。
　　(6)將傳統(tǒng)響應(yīng)面方法、規(guī)范反應(yīng)譜方法和Monte Carlo數(shù)值模擬法結(jié)合起來(lái)，構(gòu)造了一種二次響應(yīng)面法計(jì)算結(jié)構(gòu)隨機(jī)可靠度的組合響應(yīng)面方法。通過(guò)擬合的多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)近似替代表示結(jié)構(gòu)隨機(jī)輸入與輸出變量之間作用關(guān)系的功能函數(shù)，按照結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則及其極限狀態(tài)方程，進(jìn)行可靠度分析。以大跨度蘇通橋