近断层区上承式钢筋混凝土拱桥抗震性能研究

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上承式钢筋混凝土拱桥因其良好的山区地形适应性、优越的力学性能等优点,成为我国西南山区公路桥梁的主要桥型之一。西南地区是我国的强震高发区,我国近几十年的破坏性地震大都集中在该地区,给桥梁的服役安全带来巨大的挑战。上承式钢筋混凝土拱桥一般为有推力结构,对基础变位非常敏感,而近断层地震动的方向性效应、上盘效应和滑冲效应等特征往往会造成拱圈的严重破坏甚至完全坍塌,引发桥梁整体毁坏。汶川震害表明,上承式钢筋混凝土拱桥的抗震性能对近断层地震动非常敏感。鉴于该类型拱桥较为复杂的动力特性、近断层地震巨大的破坏潜力、实际震害与相关研究的不足等因素,本文针对近断层区上承式钢筋混凝土拱桥的抗震性能开展研究,以期为近断层区同类型拱桥的抗震设计及加固提供参考。本文主要研究内容及结论如下:(1)基于Open SEES平台,建立了考虑材料、几何、边界非线性等因素的全桥有限元分析模型,以近断层地震动作为激励条件对桥梁进行非线性时程分析,揭示了近断层区上承式钢筋混凝土拱桥的地震响应特征,以及主拱圈材料非线性和桥面板碰撞效应对其地震响应的影响。研究表明:主拱圈弯矩最大响应位于拱脚截面,最大横向位移响应位于拱顶截面,最大竖向位移位于1/4跨至3/8跨之间;拱上立柱的双向受力特征明显;桥面板在地震作用下会发生刚体位移和刚体转动;主拱圈材料非线性和桥面板碰撞效应对拱桥的地震响应存在较大的影响。(2)选取典型的近断层脉冲型地震动和近断层非脉冲型地震动作为激励条件,通过设置三类不同工况,对桥梁基准模型(M1)进行非线性时程分析,探讨了地震动多维性、近断层脉冲效应、竖向地震动对上承式钢筋混凝土拱桥地震响应的影响规律。研究表明:地震动多维性对桥梁的地震响应存在一定的影响;竖向地震动对上承式拱桥地震响应的影响不可忽略;脉冲效应对桥梁地震响应的放大效果非常显著。(3)基于IDA法和缩放法,通过设置两类不同的分析工况对桥梁进行非线性时程分析,并结合基于能力需求比法(C/D)的构件损伤分析方法,揭示了上承式钢筋混凝土拱桥的地震损伤模式以及脉冲效应和显著竖向地震动等近断层效应对其地震损伤模式的影响规律,研究了近断层区上承式钢筋混凝土拱桥的抗震性能。研究表明:拱上建筑相对于主拱圈更易发生损伤;近断层脉冲型地震作用下的该类桥梁更易发生损伤;近断层区的显著竖向地震动特征对该类桥梁的全桥损伤模式影响较小。
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