爆破地震波作用下拱桥动力响应及安全评价研究

发布时间：2020-10-08 15:36

　　随着爆破技术在工程建设领域的不断推广和应用,爆破震动对周围桥梁结构产生的不利影响日益受到重视。上承式拱桥具有跨越能力强、经济效益好,适应性强的优点,是一种在我国桥梁工程中应用广泛的桥型,研究其在爆破地震作用下的响应特征和安全评价具有十分重要的现实意义。以结构动力学、随机过程、数值模拟等理论为基础,采用有限元分析为主的研究手段,对一座车行上承式拱桥在爆破地震波作用下的响应规律和安全问题进行研究,主要的研究内容有:(1)根据爆破地震波的产生机理和传播衰减规律,结合随机过程理论,运用Matlab软件实现爆破地震波的人工模拟,构造出一系列符合期望条件的人工爆破地震波,为具体研究拱桥的动力响应提供特定参数的爆破震动激励。模拟结果表明爆心距和装药量是影响爆破震动加速度大小的重要参数。(2)在结构动力分析理论的基础上,采用Midas Civil软件对爆破震动作用下上承式板拱桥梁的振动响应进行仿真分析,得出顺桥向和竖桥向的爆破震动具有耦合作用;横桥向的爆破震动相对独立,其产生的面外弯矩对主拱圈受力不利;三个方向的爆破地震波对拱桥结构产生的作用效应均不可忽视。(3)基于纤维单元理论,建立拱桥弹塑性动力分析模型,研究爆破地震波的幅值和主频对主拱圈动力响应的影响以及爆破地震和天然地震对主拱圈影响的区别,得出在拱圈弹性阶段爆破地震波的幅值变化与拱圈振动幅值变化呈线性关系,进入塑性阶段后两者的增幅呈非线性关系;爆破地震波的主频越接近拱桥的基频,拱桥的振动位移响应越明显;相同加速度峰值的天然地震对主拱圈产生的作用效应远大于爆破地震;在罕遇天然地震和高强度爆破地震作用下,主拱圈均先在拱脚部位出现塑性铰。(4)根据能力需求比法(CDR)的基本原理,结合桥梁结构在爆破地震作用下破坏特点,建立基于能力需求比法的桥梁爆破地震安全评价方法。以ANSYS/LS-DNYA模拟得出4种装药量条件下的爆破地震波作为外部动力激励,计算出上承式拱桥主拱圈构件各部位的CDR值在装药量为61kg和91kg时均大于1,主拱圈处于安全状态,而在装药量为127kg和193kg时CDR值小于1,主拱圈处于不安全状态,得出在爆心距为30m情况下最大安全装药量为90kg。结果表明基于能力需求比法的桥梁爆破地震安全评价方法是可行的。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U448.22
【部分图文】：

布置图,桥型,布置图,单位

第 4 章爆破地震波作用下上承式拱桥动力响应研究4.1 有限元模型建立4.1.1 工程概况某车行天桥为净跨径 45m、净矢高 7.5m 的等截面悬链线钢筋混凝土板拱，矢跨比为 1/6，拱轴系数为 1.756。主拱圈采用 3.0m 1.1m 的 C40 钢筋混凝土矩形实心截面。主孔上构造采用 9 5.3m 的 C30 钢筋混凝土空心桥面板配 C30 拱上横墙结构，桥面板与盖梁间设置 GJZ150×200 板式橡胶支座，引孔采用 5.28m桥面板。桥面横向布置为 0.5m（护栏）+净 4.5m+0.5m（护栏）=5.5m。桥面铺装采用 10~14.5cm 厚 C40 混凝土。设计荷载等级为公路—Ⅱ级。本桥位于Ⅱ类场地，抗震设防烈度为 7 度，水平向地震动设计加速度为 0.15g。桥型布置图如下图 4-1 所示，拱桥一般构造图如图 4-2~图 4-3 所示。

全桥,有限元模型,单元

该上承式板拱桥的传力路径为，拱上立墙将拱上建筑的恒载以及移动荷载传递至拱圈，拱圈将所有荷载传递至基础。拱座基础设置于承载力强，完整性好的岩层，从而承担巨大的水平推力。4.1.2 有限元模型建立本文采用 Midas Civil 2015 有限元软件进行计算分析，全桥模型共 151 个单元，主拱圈共 34 个单元，拱上横墙共 44 个单元，盖梁 40 个单元，桥面板 33 个单元。建模时坐标系设定规则为，顺桥向为 X 轴，横桥向为 Y 轴，竖桥向为 Z轴，全桥有限模型如图 4-4 所示。

主拱圈,控制截面

4.1.2 有限元模型建立本文采用 Midas Civil 2015 有限元软件进行计算分析，全桥模型共 151 个单元，主拱圈共 34 个单元，拱上横墙共 44 个单元，盖梁 40 个单元，桥面板 33 个单元。建模时坐标系设定规则为，顺桥向为 X 轴，横桥向为 Y 轴，竖桥向为 Z轴，全桥有限模型如图 4-4 所示。图 4-4 全桥有限元模型主拱圈是拱桥承载体系中的核心部位，因此在动力分析中将重点关注主拱圈。选取左右两个拱脚截面、1/4 跨截面、3/4 跨截面以及拱顶截面作为控制截面，从左至右分别命名为 A、B、C、D、E 截面，如图 4-5 所示。

【参考文献】