地震作用下高速铁路桥隧搭接结构损伤效应研究

发布时间：2020-06-12 17:54

【摘要】：我国西部、南部山区处于欧亚地震带和环太平洋地震带,地震活动比较频繁,近现代以来地震频发。由于山区特殊的自然环境及复杂的地质条件,近年来我国在该地区兴建了大量的桥隧相连工程。这其中,桥隧搭接结构由于其工程上的特殊性,在地震作用下的抗震设防仍是目前亟待解决的一项重要课题。国内外鲜有学者对其损伤效应等方面进行理论和试验研究,阻碍了桥隧搭接结构的抗震设防的工程技术发展。因此,开展对桥隧搭接结构的振动台模型试验研究和数值模拟分析,对于地震作用下桥隧搭接结构的损伤效应研究和抗震设防措施具有重要的意义。依托国家自然科学基金项目“基于累积损伤效应的桥隧搭接结构地震动力响应研究”(编号:51408617),以我国西南地区桥隧搭接结构为工程背景,在阅读了大量国内外相关研究文献的基础上,针对地震作用下高速铁路桥隧搭接结构损伤效应,开展了相关的理论分析、数值模拟和试验研究。本文开展的主要工作及研究内容如下:基于材料损伤理论,通过对大型振动台试验研究和数值模拟分析,探明了在地震作用下桥隧搭接结构的动力响应规律,并揭示了其动力损伤破坏机理。在此基础上,通过数值模拟,对桥隧搭接结构在无损和受损状态下的对比研究,进一步探明了其隧道衬砌段和桥梁段的剪应力变化规律,并揭示了其损伤机理。数值模拟结果与振动台试验结果非常吻合,验证了数值模拟结果的可靠性。1.考虑地震效应的混凝土结构损伤理论及分析方法(1)基于损伤变量的定义,探讨了应变等价性假设和应力等价性假设在混凝土材料损伤分析中的应用。(2)基于混凝土复合材料损伤理论,分析了在压缩过程中随着混凝土材料中孔洞体积的减小,其压缩抗力会随着变形的增大而减小的影响效应。(3)基于Resend的混凝土损伤分析理论,探讨了压缩损伤和拉伸损伤过程中混凝土材料的损伤本构方程的一般形式。(4)探讨了在对混凝土单元进行损伤分析时,损伤弹性模量E=E(1-D)在各计算单元中的确定方法,从而可有效地实施桥隧搭接结构地震损伤的数值模拟分析。2.振动台试验研究(1)基于相似理论和试验条件确定了主要物理量的相似常数,并依据试验研究目的,设计并制作了相似比为1:30的高速铁路桥隧搭接结构模型。(2)在确定相似比的基础上,通过配比试验,确定了模型的微混凝土的相似材料参数以及模拟Ⅳ级软弱围岩的材料配合比,并配制了模拟Ⅳ级软弱围岩的试验材料。(3)根据试验研究的目的,确定了试验所用模型箱的类型。在此基础上,针对振动台试验中,所用模型箱箱体边界反射问题带来的试验误差,确定了模型试验的边界处理方法。(4)依据振动台对地震波输入的适应性和可靠性,以及试验研究的目的,分别选取了El Centro波、汶川波和Taft波做为试验输入地震波。并对未满足振动台适应性的输入波进行了滤波处理。在综合考虑了地震波类型、激震强度、加载方向以及顺序等因素的基础上,确定了合理可行的地震波加载工况。(5)根据试验研究的目的以及试验室设备条件,对试验模型测点进行了合理的布置。分别测定了在不同工况条件下,桥隧搭接结构各个部位的动应力、动应变和动加速度等动力响应。(6)通过对大型振动台试验结果数据的分析和研究,对高速铁路桥隧搭接结构在试验工况下的动力响应规律进行了探讨,对地震作用下,高速铁路的动力损伤破坏机理进行了分析。在此基础上,对桥隧搭接结构的抗震设防措施进行了深入的研究。3.数值模拟研究(1)根据模型试验和实际工程,建立了桥隧搭接结构3D数值模拟模型。(2)对振动台试验结果和数值模拟结果进行了对比,验证了数值模拟结果的可靠性。(3)基于结构损伤理论,通过改变损伤弹性模量E=E(1-D),对桥隧搭接结构无损和受损状态下的剪应力进行了分析。通过上述研究,取得了以下研究进展和创新结论。(1)探明了在不同加载方向的El Centro波作用下,桥隧搭接结构各个测点的动加速度响应变化规律。研究结果表明,地震波在水平方向的双向加载叠加作用时,具有最大的叠加放大效应。(2)探明了在相同烈度不同种类的地震波作用下,桥隧搭接结构的动加速度响应变化规律。研究表明,不同的加载波对加速度响应的变化规律几乎没有直接影响,仅对加速度峰值产生了细微的差异。(3)揭示了桥隧搭接结构在不同激震峰值地震波作用下,其加速度变化规律呈现出三阶段损伤破坏的机理。(4)探明了桥隧搭接结构在X向汶川波不同激振峰值地震作用下,隧道部分的动应变响应规律。研究发现,扩大段和隧道结构的纵向动应变响应要明显大于其环向动应变响应。(5)在无损状态中,不同激震峰值的地震波作用下,桥隧搭接结构隧道衬砌剪应力呈现出相似的变化趋势,仅在剪应力的大小有着明显差异,但整体所受剪应力是随着激震峰值的增加而不断增加的,且在拱肩处剪应力增加最为明显。(6)在相同激震峰值地震波的作用下,桥隧搭接结构隧道衬砌在受损状态下与无损状态下的剪应力变化规律是相似的。但是,随着有效弹性模量E(即受损伤后的弹性模量E)的减小,衬砌部分的剪应力随之减小。(7)在无损状态和受损状态下,桥隧搭接结构桥梁段剪应力均呈现出两段小,跨中大的变化趋势。最大剪应力出现的区间范围并不会随激震峰值的增加和损伤程度的增大而增大,仅在剪应力数值上有着明显的增幅。而且,损伤程度越大,剪应力增幅越大。上述研究结果为建立桥隧搭接结构的地震损伤分析理论奠定了试验基础,也为桥隧搭接结构的抗震设防提供了理论依据。研究成果不但具有重要的理论意义,也具有广阔的工程应用价值。
【图文】：

振动台,试验系统,地震模拟试验,多跨桥

逦地震作用下高速铁路桥隧搭接结构损伤效应研究逡逑图３．１多功能振动台逡逑Ｆｉｇ．３．１邋Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｈａｋｉｎｇ邋ｔａｂｌｅ逡逑中南人学高速铁路建造技术国家工程实验室多功能振动台试验系统由计算机进逡逑行控制，如图３．２所示。逡逑图３．２多功能振动台ｆｅ制系统逡逑Ｆｉｇ．３．２邋Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｈａｋｉｎｇ邋ｔａｂｌｅ逡逑振动台平面最大尺寸为４ｍＸ４ｍ，下设有三方向六自由度液压系统对振动台进行逡逑力矩补偿和加速度传动，由ＰＵＬＳＡＲ对每个自由度进行Ｐ１Ｄ控制。该多功能振动台逡逑试验系统可对大型多跨桥梁、隧道和建筑结构进行地震模拟试验。振动台主要性能参逡逑数刚如表３．１所示。逡逑１８逡逑

人学,建造技术,工程实验室,试验系统

Ｆｉｇ．３．１邋Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｈａｋｉｎｇ邋ｔａｂｌｅ逡逑中南人学高速铁路建造技术国家工程实验室多功能振动台试验系统由计算机进逡逑行控制，如图３．２所示。逡逑图３．２多功能振动台ｆｅ制系统逡逑Ｆｉｇ．３．２邋Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｈａｋｉｎｇ邋ｔａｂｌｅ逡逑振动台平面最大尺寸为４ｍＸ４ｍ，下设有三方向六自由度液压系统对振动台进行逡逑力矩补偿和加速度传动，，由ＰＵＬＳＡＲ对每个自由度进行Ｐ１Ｄ控制。该多功能振动台逡逑试验系统可对大型多跨桥梁、隧道和建筑结构进行地震模拟试验。振动台主要性能参逡逑数刚如表３．１所示。逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U238;U441;U451

【参考文献】