强震作用下曲线连续梁桥碰撞响应分析

发布时间：2017-09-30 08:08

  本文关键词：强震作用下曲线连续梁桥碰撞响应分析

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【摘要】：桥梁是交通网络的枢纽工程,曲线连续梁桥由于其对空间和线形的限制有着良好的适应性,在高速公路的中小桥梁、公路及城市道路的立交工程、大型跨河桥梁两端的引桥中有着广泛的应用。同时由于结构的不规则性,曲线桥梁是地震中的易损结构,一旦遭遇强烈地震破坏,不仅会导致巨大的经济损失,而且震后修复极其困难,所以曲线桥梁的抗震防灾问题一直受到学术界和工程界的高度重视。多次强烈地震中的桥梁结构震害表明,相邻结构的碰撞是引起结构破坏的主要原因。而曲线桥梁由于结构平面曲率的影响和相邻跨墩高的不同,导致动力特性差异较大,更易引起相邻构件的碰撞。2008年我国汶川地震中,有很多桥梁由于碰撞而导致破坏,其中曲线桥的破坏尤为明显。因此,本文针对强震作用下曲线桥梁的碰撞响应展开研究,以期了解曲线桥梁的碰撞机理,对曲线桥梁的抗震减灾设计提供一些参考。本文主要研究内容如下:①总结并讨论了桥梁碰撞的理论分析、试验和分析模型研究现状以及桥梁抗震和碰撞反应分析方法。对桥梁地震碰撞作用的模拟方法,即恢复系数法、接触单元法及三维接触摩擦单元方法进行了对比分析,为考虑曲线梁桥的不均匀碰撞,提出采用基于三维接触摩擦方法进行曲线梁桥的碰撞反应分析。②以西南山区高速公路常用的双柱式桥墩桥梁为工程背景,基于ABAQUS平台建立了曲线桥三维有限元实体单元模型。为更好的模拟和研究伸缩缝处的碰撞响应,又保证计算的可行性,采用多尺度法来划分网格,针对接触碰撞部分建立精细有限元模型,其它部位采用较大的网格尺寸。结合罚函数法和接触搜索算法,建立能考虑曲线梁相邻构件间不均匀碰撞的三维接触碰撞分析模型。③通过非线性动力时程方法分析曲线桥的碰撞响应,发现强震作用下曲线桥极易发生碰撞,且碰撞瞬间产生很大的碰撞力,导致钢筋混凝土受压和受拉损伤。考虑碰撞响应显著增加了主梁的径向位移,对墩顶位移和墩底扭矩也有明显影响,进一步加剧了桥墩的破坏,因此在曲线梁桥抗震设计中应考虑碰撞响应对结构的影响,并积极采取减轻碰撞响应的措施。④探讨了曲率半径、伸缩缝间距、桥墩高度以及地震动输入方式对碰撞响应的影响。研究表明,曲率半径小的桥梁更易受到扭转偏心的影响,伸缩缝处相邻构件一般发生局部碰撞,而直线桥主要是相邻构件间发生点对点的正面碰撞。相邻构件的伸缩缝间距对碰撞有明显影响,伸缩缝间距比较小时,发生的碰撞次数比较多,但碰撞力比较小;当伸缩缝尺寸增大时,碰撞次数虽然减少,但碰撞力增大。桥墩墩高增大会增加伸缩缝处的碰撞力,不等高墩的碰撞力大于等高墩的碰撞力。地震动的输入角度,对伸缩缝处的碰撞响应有明显差异,输入方向与伸缩缝方向的夹角越大,越容易发生纵向碰撞,且碰撞产生的碰撞力比较大。不同地震动对结构的碰撞响应有明显差异,通常地震动双向输入时的碰撞应力比单向输入时大。
【关键词】：曲线连续梁桥 地震作用 碰撞响应 接触单元 实体模型
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U442.55
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 桥梁震害现象及分析11-16
• 1.2.1 主梁、桥台和挡块的破坏11-13
• 1.2.2 支座的破坏13-14
• 1.2.3 桥墩的破坏14-15
• 1.2.4 震害总结15-16
• 1.3 桥梁碰撞的研究现状16-20
• 1.3.1 桥梁碰撞理论研究16-18
• 1.3.2 桥梁碰撞试验研究18
• 1.3.3 桥梁碰撞模型研究18-20
• 1.4 桥梁碰撞影响因素20-22
• 1.4.1 相邻结构动力特性差异20
• 1.4.2 地震动的空间效应20-21
• 1.4.3 桥梁相邻结构间距21
• 1.4.4 土-基础相互作用21-22
• 1.5 研究目的和研究内容22-24
• 1.5.1 研究目的22
• 1.5.2 研究内容22-24
• 2 桥梁抗震及碰撞理论分析24-42
• 2.1 引言24
• 2.2 桥梁地震反应分析方法24-26
• 2.2.1 静力法24
• 2.2.2 动力反应谱法24-25
• 2.2.3 时程分析法25-26
• 2.2.4 随机振动法26
• 2.3 接触碰撞模拟分析方法26-34
• 2.3.1 恢复系数法26-27
• 2.3.2 接触单元法27-31
• 2.3.3 三维接触-摩擦单元法31-34
• 2.4 接触碰撞的有限元求解方法34-40
• 2.4.1 隐式解法34-38
• 2.4.2 显式解法38-40
• 2.4.3 对比显式和隐式40
• 2.5 本章小结40-42
• 3 曲线连续桥梁分析模型42-60
• 3.1 引言42
• 3.2 工程概况42-45
• 3.3 有限元分析模型45-56
• 3.3.1 单元类型45
• 3.3.2 本构模型45-50
• 3.3.3 接触模拟50-53
• 3.3.4 有限元模型53-54
• 3.3.5 结构阻尼54-56
• 3.4 动力特性分析56-58
• 3.5 本章小结58-60
• 4 地震作用下曲线桥碰撞响应分析60-76
• 4.1 引言60
• 4.2 地震波的选取与输入60-62
• 4.2.1 地震波的选取60-62
• 4.2.2 地震动的输入62
• 4.3 伸缩缝处碰撞响应及损伤62-68
• 4.3.1 伸缩缝处相邻结构间的碰撞力63-64
• 4.3.2 伸缩缝接触面的碰撞应力64-65
• 4.3.3 伸缩缝边缘处节点的碰撞应力65-67
• 4.3.4 伸缩缝相邻结构的损伤67-68
• 4.4 碰撞响应下相邻结构位移变化68-71
• 4.4.1 短联伸缩缝处位移68-69
• 4.4.2 中间伸缩缝处位移69-70
• 4.4.3 长联伸缩缝处位移70
• 4.4.4 主梁扭转70-71
• 4.5 碰撞响应下桥墩受力变化71-74
• 4.5.1 墩顶位移72
• 4.5.2 墩底剪力72-73
• 4.5.3 墩底弯矩73-74
• 4.5.4 墩底扭矩74
• 4.6 本章小结74-76
• 5 其他因素对碰撞响应的影响76-102
• 5.1 引言76
• 5.2 曲率半径对碰撞响应的影响76-82
• 5.2.1 不同曲率半径的桥梁模型76-77
• 5.2.2 曲率半径对结构动力特性的影响77
• 5.2.3 分析结果77-82
• 5.3 伸缩缝间距对碰撞响应的影响82-86
• 5.3.1 不同伸缩缝间距的曲线桥模型82
• 5.3.2 伸缩缝间距对结构动力特性的影响82-83
• 5.3.3 分析结果83-86
• 5.4 墩高变化对碰撞响应的影响86-91
• 5.4.1 不同墩高的曲线桥模型86-87
• 5.4.2 墩高变化对结构动力特性的影响87
• 5.4.3 分析结果87-91
• 5.5 地震动输入对碰撞响应的影响91-100
• 5.5.1 不同输入角度的影响91-93
• 5.5.2 不同地震动的影响93-100
• 5.6 本章小结100-102
• 6 结论与展望102-104
• 6.1 结论102-103
• 6.2 展望103-104
• 致谢104-106
• 参考文献106-110

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本文编号：947053