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地震是一种不可避免的自然灾害,一旦发生将给人类的生命财产安全带来巨大的威胁。我国位于世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分活跃,我国许多城市就位于断层附近或地震带中。经济社会的快速发展使得跨江、跨海桥梁的建设成为必需,对靠近断层又建立在深水中的斜拉桥,除了可能遭遇强震作用外,河床/海床的冲刷作用同样会削弱整个桥梁的刚度,从而进一步加剧桥梁在地震下的危险性。本文研究近场地震作用下局部冲刷对斜拉桥抗震性能的影响,研究成果可为同类工程的抗震分析、设计和加固处治提供参考。本文的主要研究工作和结论如下:
(1)首先,以一座双塔单索面斜拉桥为桥例,采用SAP2000软件建立三维有限元模型,其中,桩基部分采用p-y曲线法模拟桩-土相互作用。通过现有经典理论公式,计算出背景工程的最大局部冲刷深度,并将其分为5个不同冲刷深度来进行对比分析。研究表明:冲刷会增大桥梁的自振周期,且随冲刷深度的增加而增加;冲刷深度改变对低阶振型无明显影响,对高阶振型的影响主要在于桩基部分;冲刷对振型质量参与系数的影响主要体现在第一阶振型上。
(2)其次,采用峰值加速度PGA为0.3g的近场地震波,对不同冲刷深度下的全桥分析模型进行非线性时程响应分析,重点对比研究了在近场地震作用下冲刷深度对主塔、桥墩、主梁和桩基地震响应的影响。研究表明:由于冲刷只发生在主塔下的桩基,因此冲刷对主塔地震响应的影响明显大于桥墩,且冲刷对桥梁纵桥向弯矩、剪力的影响多是不利的,而对横桥向则部分有利;在PGA为0.3g的近场地震作用下,在无冲刷和最大冲刷深度下桩基皆处于线弹性阶段,因此冲刷对主塔、桥墩等的地震响应的影响仍较小,但对主塔和主梁位移的影响不可忽视。
(3)接着,选取典型的近场地震波,将其PGA分别调整至0.1g~1.0g,采用增量动力分析IDA法,研究了近场地震动强度和冲刷深度对桥梁地震响应的共同影响规律。研究表明:随着地震强度的不断增大,桥梁地震响应不断增大,冲刷会增大桥梁纵向地震响应,但对横向地震响应的影响在很多工况下是有利的;冲刷对主塔桩基地震内力、位移响应的不利影响不容忽视,尤其在桩侧不同土层交接处,较大的冲刷深度会大幅度增大桩基的弯矩响应,这在设计时应予特别重视,尤其是在中强地震下作用下。
(4)最后,以IDA分析结果为基础,采用能力需求比法,对不同冲刷深度下的斜拉桥进行抗震性能评估,研究桥梁在不同强度地震下出现各种损伤的具体位置及破坏先后顺序。研究表明:在不断增大的地震强度下,随着冲刷深度的增加,桥梁各关键截面抗震富余不断降低;冲刷深度的增加主要降低了塔底的抗弯富余,但塔底几乎未出现损伤;冲刷对桥墩抗弯能力的影响主要在I级损伤状态,此时冲刷深度越大,桥墩会越早进入屈服状态,而对Ⅱ、Ⅲ级损伤状态的影响较弱;冲刷对桩基抗震性能的影响较大,尤其在Ⅰ级损伤状态下,冲刷深度越大,桩基纵桥向越容易出现抗弯损伤。
(1)首先,以一座双塔单索面斜拉桥为桥例,采用SAP2000软件建立三维有限元模型,其中,桩基部分采用p-y曲线法模拟桩-土相互作用。通过现有经典理论公式,计算出背景工程的最大局部冲刷深度,并将其分为5个不同冲刷深度来进行对比分析。研究表明:冲刷会增大桥梁的自振周期,且随冲刷深度的增加而增加;冲刷深度改变对低阶振型无明显影响,对高阶振型的影响主要在于桩基部分;冲刷对振型质量参与系数的影响主要体现在第一阶振型上。
(2)其次,采用峰值加速度PGA为0.3g的近场地震波,对不同冲刷深度下的全桥分析模型进行非线性时程响应分析,重点对比研究了在近场地震作用下冲刷深度对主塔、桥墩、主梁和桩基地震响应的影响。研究表明:由于冲刷只发生在主塔下的桩基,因此冲刷对主塔地震响应的影响明显大于桥墩,且冲刷对桥梁纵桥向弯矩、剪力的影响多是不利的,而对横桥向则部分有利;在PGA为0.3g的近场地震作用下,在无冲刷和最大冲刷深度下桩基皆处于线弹性阶段,因此冲刷对主塔、桥墩等的地震响应的影响仍较小,但对主塔和主梁位移的影响不可忽视。
(3)接着,选取典型的近场地震波,将其PGA分别调整至0.1g~1.0g,采用增量动力分析IDA法,研究了近场地震动强度和冲刷深度对桥梁地震响应的共同影响规律。研究表明:随着地震强度的不断增大,桥梁地震响应不断增大,冲刷会增大桥梁纵向地震响应,但对横向地震响应的影响在很多工况下是有利的;冲刷对主塔桩基地震内力、位移响应的不利影响不容忽视,尤其在桩侧不同土层交接处,较大的冲刷深度会大幅度增大桩基的弯矩响应,这在设计时应予特别重视,尤其是在中强地震下作用下。
(4)最后,以IDA分析结果为基础,采用能力需求比法,对不同冲刷深度下的斜拉桥进行抗震性能评估,研究桥梁在不同强度地震下出现各种损伤的具体位置及破坏先后顺序。研究表明:在不断增大的地震强度下,随着冲刷深度的增加,桥梁各关键截面抗震富余不断降低;冲刷深度的增加主要降低了塔底的抗弯富余,但塔底几乎未出现损伤;冲刷对桥墩抗弯能力的影响主要在I级损伤状态,此时冲刷深度越大,桥墩会越早进入屈服状态,而对Ⅱ、Ⅲ级损伤状态的影响较弱;冲刷对桩基抗震性能的影响较大,尤其在Ⅰ级损伤状态下,冲刷深度越大,桩基纵桥向越容易出现抗弯损伤。