大跨双薄壁墩连续刚构桥非线性地震响应特性研究

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为跨越高山、深谷等障碍,大跨双薄壁墩连续刚构桥在我国西部地区修建广泛。西北地区位于民勤、河西走廊、祁连山等6大地震带上,其震发频率高,强度大,属抗震设防高烈度区域,在此修建的大跨度连续刚构桥一般以地震力控制设计,而我国现行规范明确指出,对符合大跨、高墩条件的桥梁设计需做专门的分析研究。因此大跨度双薄壁连续刚构桥的抗震性能一直以来是被研究的热点问题之一。连续刚构桥具有与连续梁桥极为相似的外观特点,但其不同之处在于墩梁固结,属于有推力的受弯体系,介于梁、拱体系之间,桥墩除了承受上部结构恒载压力外,还将承受梁底(墩顶)弯矩及水平推力,这与连续梁桥有本质区别。因此在进行连续刚构桥地震响应分析时,首先需要建立包括桥上、桥下完整结构的全桥模型;其次需考虑上部结构恒载效应对桥墩的影响,作为地震分析前结构的初始效应再进行分析。考虑上部结构恒载的常规方法为:将恒载效应简化处理为均布力或集中力,仅考虑结构自重和二期恒载效应;也可采用更接近实际的精细化方法:需要模拟上部结构施工过程,并将其过程中的预应力、混凝土收缩徐变、预顶力等效应影响均予以考虑。依据以往大量国内、外相关文献来看,连续刚构桥抗震分析通常采用前者简化方法,鲜有将桥梁上部结构施工过程与地震响应分析相结合的做法,而简化方法与实际结果间的差异特点、大小以及是否在可接受范围之内等问题尚不明确。针对上述问题,本文以某(80+140+80)m大跨双薄壁墩连续刚构桥为研究对象,采用两种上部恒载模拟方法,即不考虑施工过程的简便方法和详细考虑施工过程的精细化方法,以两种方法所得静力结果作为地震反应初始条件,对该桥的线性以及非线性地震响应特性进行研究。具体按照以下几个方面进行:(1)采用MIDAS Civil有限元分析软件创建背景桥静力分析模型,对上述两种上部恒载模拟方法进行准确模拟,对比研究两种方法对连续刚构桥的静力影响差异特点,作为后续动力分析阶段的铺垫。(2)空间弹性动力分析模型仍采用MIDAS Civil软件建立,将两种方法所得静力结果作为地震反应分析前的初始条件,采用线性动态时程分析法,选用3条地震波从该桥水平纵向及竖向同时输入,对比研究E1地震作用下大跨双薄壁墩连续刚构桥的反应差异。(3)采用开源地震工程模拟软件Open Sees建立背景桥空间非线性动力分析模型,仍以两种方法静力结果作为地震分析前的初始条件,采用非线性动态时程分析法,将3条地震波从该桥水平纵向及竖向同时输入,对比研究E2地震作用下大跨双薄壁连续刚构桥的非线性反应差异。(4)在已建立好的非线性动力分析模型基础上,将3条地震波的加速度峰值从0.5g(E2水准)逐步增加至1.0g,地震激励方式及两种方法初始条件均保持不变,依次对背景桥进行非线性地震响应分析,最终根据各峰值计算结果,对罕遇地震下考虑或不考虑上部结构施工过程所能引起的地震反应误差大小及趋势进行估计。
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