连续梁拱组合结构地震响应分析及减震措施研究

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连续梁拱组合结构充分发挥连续梁桥和拱桥的优势,凭借优异的结构受力特性,独特的优美造型等特点成为城市及区域标志性建筑,广泛应用于大跨径铁路桥和公路桥工程建设中。本文以连续梁拱组合结构具有代表性的太原市南中环公路桥为研究对象,对连续梁拱组合结构的动力特性、地震响应、结构整体减震措施和局部减震措施进行了分析研究。本文主要研究内容如下:
  1、简述了连续梁拱组合结构的国内外发展历程,分析了连续梁拱组合结构抗震性能研究现状,总结了连续梁拱组合结构震害特点,论述了连续梁拱组合结构现阶段存在的主要问题。
  2、介绍了南中环桥主要工程概况,采用Midas/Civil建立了南中环桥三维空间有限元模型,计算分析了结构频率和主要振型特征。研究结果表明:结构自振周期较长且结构横向刚度较小,振型排列规则合理,不易出现耦合振动和模态重组现象,结构设计较为合理;结构反对称振型的出现早于对称振型的出现,说明结构的整体性较好,面内刚度优于面外刚度。
  3、以工程地质报告和《中国地震动参数区划图》为基准确定结构加速度反应谱,基于SIMQKE_GR选波软件生成三条人工地震波作为动态时程曲线输入,分别采用动力反应谱法和动态时程分析法对结构地震响应进行计算,并将两种方法得出的结果进行对比;研究了行波效应对该类桥型的地震影响规律。研究结果表明:两种计算方法下结构最大地震动响应出现在拱脚处(B5)控制截面,最大位移响应出现在主拱肋1/2L处(B3)控制截面;结构在11种视波速下控制截面内力响应与一致激励作用下相比稍大,总的来说行波效应对结构地震响应分析影响不大。
  4、建立了南中环桥铅芯橡胶隔震支座有限元模型,对比分析了结构在E2地震动作用下主拱肋位移响应、内力响应和墩底的内力响应,研究了铅芯截面面积、铅芯硬化比和隔震支座尺寸对支座减震效果的影响,最后研究了该桥在最优参数组合下铅芯橡胶隔震支座的减震效果。研究结果表明:设置铅芯橡胶减隔震支座后,主拱肋控制截面位移响应值均有不同程度的下降,但横桥向隔震率较低,主要受到主拱肋面外刚度的影响;仅仅设置了部分隔震支座,故在拱脚B5截面处,与其他控制截面相比结构内力响应值降幅较小;该桥采用铅芯橡胶减隔震支座进行减震设计时,取铅芯直径D=180mm、硬化比α=0.154、支座直径为1200mm时,其他力学特性参数一致时,结构减震效果最佳。
  5、采用了ABAQUS/CAE有限元软件建立拱座局部受力模型,运用动力弹塑性时程分析法并综合考虑结构和材料非线性因素,得到拱座局部模型在弹塑性时程地震波作用下各点响应,找到结构屈服点和应力集中区域,发现结构弹塑性变形规律从而判别结构薄弱环节和屈服机制。研究结果表明:拱座最薄弱的地方为拱座顶部与拱肋交接处附近、主拱肋下侧混凝土;外围钢板的三向约束作用使得混凝土塑性能力得到极大的提高,混凝土与普通钢筋之间能够完美耦合共同承受地震作用,但外围钢板与混凝土之间粘结强度有待提高;在合适范围内增强混凝土强度等级和钢材屈服强度都可以增强结构的塑性能力,降低结构各方向的位移响应;拱座局部模型进行受力优化分析时,取混凝土强度等级为C55、外围钢板型号为Q370q、普通钢筋截面面积为1.10S,其他力学特性参数一致时,结构局部减震效果最佳。
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