分离式减震榫-活动支座简支梁桥的抗震性能研究

发布时间：2020-05-21 09:59

【摘要】：近年来,随着高速铁路建设的快速发展及线路中桥梁比例的不断增加,位于高地震烈度区桥梁的抗震性能日益受到关注。目前,减隔震技术已成为提高位于高地震烈度区桥梁抗震能力的重要手段,其中,基于“支座功能分离”设计思想提出的单悬臂减震榫结构简单,耗能机理明确,减震性能优越,现已推广应用于铁路桥梁。本文针对单悬臂减震榫存在受力薄弱环节、安装和更换不方便等不足,提出了分离式减震榫结构。首先,对分离式减震榫进行了理论、试验及数值模拟等方面的研究,然后系统地开展了分离式减震榫-活动支座减震性能及影响因素的研究,同时分析了分离式减震榫-活动支座简支梁桥的地震碰撞响应,最后,对分离式减震榫-活动支座简支梁桥的地震易损性进行了系统的研究。主要研究工作如下:(1)分离式减震榫简化分析方法及力学性能研究在单悬臂减震榫研究的基础上,提出了分离式减震榫的结构形式,并推导其核心力学性能参数的理论计算公式。设计并制作第一批两组不同构造参数共6个全尺寸试件,进行了第一批拟静力试验,着重分析了第一批分离式减震榫滞回性能、骨架曲线、等效粘滞阻尼比、延性性能等抗震性能参数,并研究了其刚度和强度退化规律。采用有限元软件ABAQUS模拟分析了第一批分离式减震榫在往复荷载作用下的力学性能,并与理论计算结果及试验结果进行对比,验证了核心力学性能参数理论计算公式的正确性及数值模拟方法的合理性。(2)考虑几何非线性影响的分离式减震榫分析方法及试验研究为充分发挥分离式减震榫的耗能性能,考虑几何非线性的影响,提出了分离式减震榫耗能段直径变化形式的优化方法,基于此制作第二批两组不同材料共4个全尺寸试件,并进行第二批拟静力试验,分析第二批分离式减震榫滞回性能、骨架曲线、等效粘滞阻尼比等抗震性能参数,并研究了非线性刚度及其影响因素。采用有限元软件ABAQUS对单根分离式减震榫和两组分离式减震榫群榫的力学性能进行数值模拟分析,结果表明分离式减震榫群榫与单根分离式减震榫之间力学性能呈线性叠加关系,为后续分离式减震榫减震性能的研究提供了依据。(3)分离式减震榫-活动支座减震性能及影响因素研究建立分离式减震榫-活动支座简支梁桥的双自由度力学模型,给出了双自由度力学模型振动特性及地震响应的近似计算公式,并与ANSYS有限元分析解进行对比,表明双自由度力学模型可较为准确地计算减震榫简支梁桥的地震响应。基于OpenSees源代码分析平台建立了客运专线5×48 m简支梁桥的精确三维有限元模型,研究了分离式减震榫-活动支座在顺桥向和横桥向的减震性能。在此基础上,建立分离式减震榫-活动支座单墩模型进行非线性分析,系统地研究了分离式减震榫-活动支座力学性能参数,包括屈服强度、屈服后刚度和活动支座摩擦系数,桥墩自身结构特性和地震强度对分离式减震榫-活动支座减震性能的影响。(4)分离式减震榫-活动支座简支梁桥地震碰撞响应研究针对采用分离式减震榫-活动支座后梁体位移增大的特点,展开了分离式减震榫-活动支座简支梁桥顺桥向地震碰撞响应的研究。介绍了多点地震激励的合成方法,采用MATLAB编制程序生成空间相关的多点地震激励。采用OpenSees源代码分析平台建立考虑碰撞的分离式减震榫-活动支座简支梁桥有限元模型,研究了仅考虑部分相干效应、仅考虑行波效应和同时考虑部分相干效应与行波效应等3种激励情况下,分离式减震榫-活动支座简支梁桥的非线性地震碰撞响应。此外,探讨了近场地震动及考虑行波效应的近场地震动对分离式减震榫-活动支座简支梁桥碰撞响应的影响。(5)考虑不确定性的分离式减震榫-活动支座简支梁桥地震易损性研究以我国高铁客运专线上采用分离式减震榫-活动支座简支梁桥为研究对象,针对桥梁结构参数和分离式减震榫-活动支座力学性能参数的不确定性,采用拉丁超立方体抽样方法建立相应的桥梁模型样本库,同时分别建立了远场地震动样本和近场地震动样本,与桥梁模型样本库一一配对建立起近场地震动-桥梁分析样本库和远场地震动-桥梁分析样本库。同时,探讨桥墩、分离式减震榫、活动支座和桥台的损伤指标。采用OpenSees程序建立精确的三维有限元分析模型,开展了分离式减震榫-活动支座简支梁桥在远场地震动和近场地震动作用下的地震易损性研究,并基于一阶界限估计法评估了桥梁系统的整体抗震性能。在此基础上,探讨了近场地震动作用下,墩高、碰撞及桥台等因素对桥梁构件和系统地震易损性的影响。
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铅芯橡胶支座（ＬｅａｄＲｕｂｂｅｒＢｅａｒｉｎｇ，ＬＲＢ）由新西兰工程师Ｒｏｂｉｎｓｏｎ于１９７５逡逑年提出，它是在叠层橡胶支座中开孔插入铅芯，用来增强叠层橡胶支座能量耗散能逡逑力及刚度，从而形成一个整体的隔震装置［１７］，其结构如图１．２所示。逡逑铅芯橡胶支座在提出之后，新西兰、美国和日本等的学者对其展开了理论和试逡逑验研究，结果表明铅芯橡胶支座具有良好的耗能性能，是一种价格低廉、加工方便逡逑的减隔震技术［１８＿２（）］。逡逑在２０世纪９０年代初，我国学者开始关注铅芯橡胶支座隔震技术，对铅芯橡逡逑胶支座开展了理论、试验及应用研宄，均表明铅芯橡胶支座是一种比较有效的隔震逡逑装置［２１＿２７］。Ｈｗａｎｇ、吴彬及杨风利等［２８＿３（）］对铅芯橡胶支座及采用铅芯橡胶支座的桥逡逑４逡逑

间摩擦力耗能消耗地震能量，从而降低地震破坏力，地震结束后依靠自身重力复位。逡逑摩擦摆支座主要包括上支座板、下支座板、聚四氟乙烯板、球型滑块及限位装置等，逡逑其结构形式如图１．３所示。逡逑＿＿＿逦／上支座板逡逑限位结构逦—一逡逑恀 冒一邋＾逡逑下支座板逦聚四氟Ｚｉ烯板逡逑图１．３摩擦摆支座逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｆｒｉｃｔｉｏｎ邋ｐｅｎｄｕｌｕｍ邋ｂｅａｒｉｎｇ逡逑由于摩擦摆支座有着承载能力高、设计位移较大和可自动复位等优点，国内外逡逑６逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U442.55;U448.217
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本文编号：2674102