大跨连续刚构桥地震响应及易损性研究

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近几十年来,尤其是进入21世纪以来,随着我国公路交通建设的需要,桥梁建设进入了快速发展时期。连续刚构桥凭借施工与设计成熟、可以较好控制施工质量和工期、成桥养护简单等施工特点,并同时具有主梁受力合理、桥墩可以充分发挥结构潜能、跨越能力和受力能力的结构优势,得到了迅速的应用与发展,成为大跨径桥梁的主要桥型之一。然而近年来国内外破坏性地震频发,桥梁作为交通系统中最重要的一环,一旦在地震下受到严重破坏将会对人民的生命安全与财产安全造成极大威胁。因此有必要对连续刚构桥在地震动下的易损性进行研究,为实际工程中评估损伤程度与科学预防地震灾害提供参考。本文以一座主桥跨度为170m连续刚构桥为工程背景,完成的主要研究内容如下:(1)阐述了地震自然灾害破坏的严重性、连续刚构桥的发展与特点,详细介绍了桥梁结构易损性研究现状、发展历程与三种常用的抗震分析方法。(2)基于MIDAS CIVIL软件,建立了连续刚构桥有限元模型,对算例桥梁进行动力特性分析,得到该桥前十阶自振周期与振型。使用介绍的静力法、反应谱法与时程分析法三种地震响应分析方法中的时程分析法,计算得到算例桥梁在顺桥向地震动与横桥向地震动下的位移响应与内力响应。(3)介绍了易损性理论的分析方法与得到易损性曲线的步骤,在已有有限元模型的基础上设置塑性铰,建立了算例桥梁的动力弹塑性分析模型;按照要求选取15条地震波,对桥墩进行弯矩曲率分析,使用曲率延性比作为损伤指标划分不同的损伤等级;再基于增量动力分析方法,对算例桥梁进行非线性时程分析,以谱加速度SA为地震动参数,得到桥墩与支座顺桥向与横桥向的地震易损性曲线;最后改变桥墩高度,对于三组不同的桥墩高度,得到其易损性曲线,研究桥墩高度变化对桥梁地震易损性的影响。结果表明:顺桥向地震动与横桥向地震动下桥墩损伤概率随着墩高的增加而下降,支座的损伤概率随桥墩高度增加而上升。(4)通过结构可靠度理论,在桥墩和支座两个重要结构构件易损性的基础上,通过一阶界限估计法,对桥梁系统地震易损性进行了计算,并对桥墩高度变化对桥梁系统地震易损性的影响进行了分析。根据桥梁系统的地震易损性,通过相关公式计算得到交通流量和通车时间,以评估桥梁的震后通行能力,并对桥墩高度变化对震后通行能力的影响进行了分析。本文围绕连续刚构桥的地震响应、构件地震易损性、全桥系统地震易损性、震后通行能力以及桥墩高度变化对地震易损性与通行能力的影响展开研究分析,对今后实际工程中的连续刚构桥设计与研究具有一定参考价值。
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