下承式剛架系桿拱橋的抗震設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)研究.pdf

1、下承式剛架系桿拱橋是我國(guó)在系桿拱橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新橋式。它是由墩柱、拱肋、系桿、吊桿和橋面系梁板等協(xié)同工作的組合結(jié)構(gòu)橋梁，以拱肋與墩柱剛結(jié)、系桿承受拱腳水平推力為主要受力特征。由于其具有良好的結(jié)構(gòu)性能、優(yōu)秀的跨越能力和方便的施工條件，在十幾年的發(fā)展歷程中，已建造了上百座，最大跨度達(dá)到280m，成為我國(guó)城市橋梁建設(shè)中的主要橋式之一，是城市交通生命線中的重要組成部分。 然而，目前在下承式剛架系桿拱橋的抗震設(shè)計(jì)和研究上仍存有許多問題

2、，具體表現(xiàn)為：抗震設(shè)計(jì)規(guī)范滯后，現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)橋梁抗震規(guī)范在抗震設(shè)計(jì)思想和內(nèi)容上都已不能滿足工程設(shè)計(jì)的需要。對(duì)墩柱的抗震性能及其影響研究不足，在既有研究成果中，研究墩柱對(duì)下承式剛架系桿拱橋抗震性能影響的十分罕見，對(duì)低矮墩柱的抗震設(shè)計(jì)研究也十分缺乏。抗震手段單一，在無(wú)法采用減隔震支座的情況下，缺少對(duì)降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的技術(shù)措施研究。對(duì)伸縮縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)抗震性能的相互影響和結(jié)構(gòu)在強(qiáng)余震作用下的抗震性能缺乏研究。 針對(duì)上述問題，本論文從兩大方面

3、對(duì)下承式剛架系桿拱橋的抗震性能進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究：一是對(duì)下承式剛架系桿拱橋的自身抗震性能進(jìn)行研究。研究墩柱剛度對(duì)其動(dòng)力特性的影響，尋求既能改善墩柱抗震性能又能降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的新型墩柱抗震設(shè)計(jì)方法，探索性地對(duì)強(qiáng)余震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析研究。二是從整個(gè)線路的抗震性能出發(fā)，研究下承式剛架系桿拱橋與引橋間的縱向碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。分析影響碰撞的主要因素，尋找減輕碰撞和避免落梁的技術(shù)措施。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．下承式剛架

4、系桿拱橋的動(dòng)力特性及參數(shù)分析分析下承式剛架系桿拱橋的自振頻率及振型特點(diǎn)，討論拱肋傾角、矢跨比、橫撐剛度等上部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。鑒于墩柱剛度是影響下承式剛架系桿拱橋動(dòng)力特性的重要參數(shù)，文中重點(diǎn)研究墩柱剛度對(duì)下承式剛架系桿拱橋自振特性的影響，并總結(jié)出一些可用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)律性結(jié)論。 2．被動(dòng)分肢墩的抗震設(shè)計(jì)思路及理論分析在下承式剛架系桿拱橋中，墩柱的抗震性能是決定全橋抗震性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。針對(duì)在低矮墩柱延性設(shè)計(jì)中面

5、臨的強(qiáng)度、剛度、延性和耗能難以統(tǒng)一協(xié)調(diào)的困難，從被動(dòng)控制的抗震思想出發(fā)，提出一種具有多重抗震防線，能在地震中有效調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的新型墩柱一被動(dòng)分肢墩的抗震設(shè)計(jì)方法；闡述被動(dòng)分肢墩的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)原則：分析被動(dòng)分肢墩的延性并給出延性計(jì)算方法；分析被動(dòng)分肢墩的受力機(jī)理，給出極限承載力的計(jì)算方法；利用反應(yīng)譜法分析單自由度被動(dòng)分肢墩的抗震性能。 3．采用被動(dòng)分肢墩的剛架系桿拱橋抗震試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)一榀以被動(dòng)分肢墩為墩柱的下承

6、式剛架系桿拱橋小結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行擬靜力抗震試驗(yàn)，作為對(duì)比，同時(shí)還進(jìn)行一榀采用普通墩柱的下承式剛架系桿拱橋模型對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證被動(dòng)分肢墩良好的延性和耗能能力，是一種抗震性能優(yōu)良的新型墩柱的結(jié)論。研究?jī)?nèi)容包括：研究被動(dòng)分肢墩在地震荷載下的破壞機(jī)制，了解和驗(yàn)證被動(dòng)分肢墩能否按照預(yù)期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)破壞機(jī)制，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗震性能的目的；檢驗(yàn)被動(dòng)分肢墩的延性、耗能和承載力，并與理論計(jì)算相比較；建立被動(dòng)分肢墩的恢復(fù)力模型，分析其強(qiáng)度和剛度的退化特點(diǎn)；研究被

7、動(dòng)分肢墩對(duì)下承式剛架系桿拱橋延性、耗能能力和承載力的影響，并與普通墩柱的影響進(jìn)行比較。 4．下承式剛架系桿拱橋的地震反應(yīng)分析結(jié)合算例分析下承式剛架系桿拱橋在單方向地震輸入、水平地震與豎向地震的組合輸入以及非一致激勵(lì)(行波效應(yīng))下的地震反應(yīng)，總結(jié)了拱肋、墩柱在不同地震輸入下的反應(yīng)特點(diǎn)。對(duì)比分析被動(dòng)分肢墩和普通墩柱對(duì)下承式剛架系桿拱橋地震反應(yīng)的影響，結(jié)果表明：在縱橋向地震輸入、縱橋向與豎向地震組合輸入和行波效應(yīng)下，采用被動(dòng)分肢墩的下

8、承式剛架系桿拱橋地震反應(yīng)明顯減小，在其它方向的地震輸入下，與采用普通墩柱的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)相當(dāng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，給出下承式剛架系桿拱橋的抗震設(shè)計(jì)建議。 5．下承式剛架系桿拱橋與引橋在地震中的碰撞效應(yīng)研究以下承式剛架系桿拱橋?qū)崢驗(yàn)楸尘?，探索性地利用兩個(gè)單自由度簡(jiǎn)化模型對(duì)下承式剛架系桿拱橋與其引橋在伸縮縫處的縱向碰撞進(jìn)行研究。為了對(duì)碰撞過程中的能量損耗進(jìn)行正確的模擬，碰撞單元采用線粘彈性碰撞單元。在研究縱向碰撞對(duì)伸縮縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)抗震性

9、能和落梁震害的影響后，還分析周期比、伸縮縫間距對(duì)碰撞效應(yīng)的影響，探討防落梁的措施及其對(duì)碰撞效應(yīng)的影響。 6．強(qiáng)余震對(duì)下承式剛架系桿拱橋的抗震性能影響研究從結(jié)構(gòu)抗震的角度，給出影響結(jié)構(gòu)抗震性能的狹義強(qiáng)余震定義，利用既有研究成果初步總結(jié)強(qiáng)余震在我國(guó)的分布規(guī)律。利用既有的強(qiáng)震記錄，研究主震和強(qiáng)余震在震級(jí)和地震動(dòng)參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，利用主震記錄確定強(qiáng)余震地震動(dòng)的幅值、持時(shí)和頻譜特征。探索性地研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)余震作用下的地震反應(yīng)，評(píng)價(jià)強(qiáng)余震對(duì)鋼