基于IDA方法的连续刚构桥地震易损性分析

发布时间:2021-12-23 22:27:19 论文编辑:vicky

本文是一篇高校毕业论文,本文首先通过发展以及研究现状,介绍了连续刚构桥的发展与抗震所面临的困境。对于多跨连续刚构桥的力学特点,结构形式进行了介绍。并对目前抗震研究所采用的方法进行了介绍和选取。同时对易损性研究的发展过程、研究现状与不足之处进行了介绍,并对地震波的选取、阻尼的选取、地震强度的输入进行了研究。


第一章 绪论


1.1 研究背景及意义

在人类的历史中,地震给人类带来了严重的危害。地震是由于地壳能量迅速释放而引起的振动,往往具有很强的破坏性。地球内部运动时,板块与板块的边缘会产生碰撞和冲击。同时,在板块的内部也会产生破裂。这种过程会释放大量的能量,这是导致地震的主要因素[1]。据统计地球上每年发生五百余万次的地震,这就意味着每天要发生超过万次的地震,全球大于百分之八十的地震,主要发生在地壳板块边界上,仅有不足百分之二十的地震,在地壳板块边界不那么明显的地区[2]。通过概率统计,人们将发生地震动频率大且集中的地区定义为地震带。在地震带的外部,地震发生的概率较小,且往往破坏不大。我国距离最近的首先是环太平洋地震带,其次为欧亚地震带。我国的断裂带横纵交错,分布十分广泛,属于地震灾害多发的国家,如唐山大地震、汶川大地震都对我国造成了极大的损失。地震的作用具有很强的复杂性和随机性。对结构的要求也较为高。我们要求结构的强度在地震状态下保持弹性,不发生破坏,是较为不不实际的。所以在保证经济和安全的两方面抗震设计是很需要的。在这种形式下研究者提出了弹塑性变形理念。这种设计理念旨在通过提高结构的变形,整体抗震能力和耗能能力达到防灾减灾的目的,同时防止出现大震建筑物与构筑物倒塌。由四川公路规划勘察设计研究院做出的桥梁运营安全风险源排序中,地震、洪水、崩塌与危岩排在风险前三位。而云南又位于地震频发带上,地质的构造复杂,地形的起伏巨大,地震烈度较高,地质灾害频发。在此背景下,抗震研究显得尤为重要。


1.2 连续刚构桥

1.2.1 连续刚构桥概述

随着我国交通事业的发展,交通对桥梁跨越的能力要求逐渐增加,其中地形地貌的要求越来越复杂。跨度的增加也伴随着跨度增大带来的跨中弯矩的增加。故新式桥型的需求大增。得益于此种情况,近年来连续梁桥、连续刚构桥、T 形刚构桥在大跨度桥梁的设计中越来越受到欢迎。

连续刚构桥是连续梁桥和 T 型梁桥的结合的产物,其使用预应力钢筋混凝土结构,其结构形式为采用多个墩梁固结。但墩梁固接的结构形式也使得温度、收缩徐变的内力与位移增大对桥梁产生不利的影响。故而在连续刚构桥的下部结构一般要设计的相对柔,以适应变形产生的内力,一般采用双肢薄壁墩作为连续刚构桥的下部结构。在上部结构施工中,这种桥型一般采用悬臂施工的方法进行施工,其主要是从以主墩为对称轴向两侧对称施工。这种结构在桥梁的上部结构特点中,具有混凝土连续梁桥连续、整体性好的优势。它的主要优点如下[3]:

(1)从经济性的考虑,连续刚构桥没有伸缩缝,这大大减少了桥梁支座的费用。与此相伴的是桥梁支座的维护更换费用的减少。

(2)从施工方法的考虑,连续刚构桥墩梁固结的特性使得在施工时,其桥梁体系无需临时转换,也无需临时固结,使得施工方式更为简单。

(3)从抗震的角度考虑连续刚构桥在受到地震力的作用时,其地震力可以分配给每个桥墩去承受。这样大大降低了桥墩的不利应力与内力,使得位移得以均摊。对抗震的影响极为有利。

(4)从美观的角度去考虑,连续刚构桥其桥梁上部箱梁与下部桥墩进行固结,整体性好,具有简约的特性,同时桥墩并不臃肿,双薄壁墩墩顶与墩底同尺寸,其厚度也得到减小。桥梁上部尺寸也得以减小,显著降低了基础和桥墩钢材的使用,造型美观大方。

(5)从行车舒适度的考虑,连续刚构桥因为没有伸缩缝,这样可以大大减少伸缩缝的数量。其桥梁上部整体性较好。对行车的平顺性极为有利。


第二章  桥梁抗震分析基本理论


2.1 桥梁概况

本桥工程依托当连河特大桥位于瑞丽到孟连高速公路,跨越山谷。当连河特大桥位于盾中南侧约 2.0 千米。区域划分上本桥属构造剥蚀低中山地貌区。中部多为旱地。桥址地面高程介于 940~1120m 之间,相对高差约 180m,桥址区地势四周高,中间低,地形呈波状起伏,切割浅,山顶浑圆,自然边坡 10~25°。桥跨布置左幅为为(4×40)+(73+4×130+73)+(7×40)米,右幅为为(4×40)+(73+4×130+73)+(6×40)米,其中主桥为多跨预应力混凝土连续刚构桥,引桥为预应力混凝土连续 T 梁桥。该桥分左右两幅。桥宽均为 12.5 米,左幅桥长 1119 米,右幅桥长 1079 米。公路等级为高速公路。桥梁设计速度:80 公里/小时。桥面布置:行车道宽度 11.5 米,桥梁防撞护墙两道,宽度分别为 0.5米。桥梁单幅的宽度为 12.5 米。汽车荷载标准:公路-I 级。地震动峰值加速度:0.3g,地震基本烈度:Ⅷ度。

上部结构:主桥的桥梁形式为预应力混凝土连续刚构。跨径的布置为 73+4×130+73米,为对称结构。组成为 5 个 130 米的 T 形结构。主桥总长为 666 米。箱梁顶部宽度为 12.5米,箱梁底部宽度为 6.5 米。箱梁断面的形状为单箱单室。箱梁根部梁高为 8.2 米,桥梁跨中梁高为 2.6 米。箱梁的腹板厚度分别为 0.7 米和 0.5 米,底板厚度由中部的 0.32 米按1.8 次抛物线变化至根部的 1 米。刚构桥悬臂段施工采用挂篮对称悬浇,悬臂现浇的节段长 3~4.5 米,主梁的最大悬浇节段重量为 172 吨,施工挂篮采用后支点挂篮,自重按 90吨计。上部箱梁的预应力体系分为两个方向:纵向、竖向。纵向预应力的施加采用使用 1860钢绞线,大吨位吨位群锚体系,竖向预应力钢筋则使用螺纹钢棒进行施加。

下部结构:桥墩采用钢筋混凝土双薄壁空心墩,桥墩从左至右编号 1-5 号,其墩高依次为 103.5 米、121.5 米、130.5 米、117 米、103.5 米。单壁平面尺寸为 8.5×3 米,双壁外到外距离 12 米,承台厚度为 5 米,采用 16 根直径 2 米钻孔桩基础。


2.2 多跨连续刚构桥动力特性分析方法

2.2.1 连续刚构桥有限元模型的建立

2.2.1.1 桩土作用的模拟

双薄壁墩较常作为连续刚构桥的下部,但双薄壁墩-承台-桩基的连接问题往往被人忽视。对于这种连接的模拟可以采用多种方法。例如,可以分别将墩桩通过主从节点方法进行模拟。值得一提的是,在一般设计工作,常常将承台设置为一个竖向的有限元单元。这种做法忽略了承台的受力特征。而在实际工程中承台主要为受弯、受剪。将承台水平放置于桩单元节点上,更为符合实际受力特征。在桩土作用的模拟中,常常使用两种方式进行模拟:一种将桩基模型全部建出,利用桩土作用中的边界条件进行逐层施加。另一种方法是将桩土模拟转化成弹性边界模拟,利用模拟桩基刚度值来进行桩土作用的模拟,这种方式在模型的建立与运算上都具有一定的便捷性,但其桩基刚度的取值没有实际参考的依据,较难确定。故本文中将桩单元建立,并通过土弹簧进行模拟。

根据我国现行《公路桥梁抗震设计细则》[37]中的第 6.3.8 条文中的规定:在进行桥梁抗震设计时桩基模型的建立应充分考虑桩-土的作用。桩土作用的模拟对桥梁结构,尤其是下部结构的计算数值巨大。其在实际设计中一般采用等效土弹簧来模拟。在模拟时通过计算土层对桩产生的等效土弹簧,将其转化为弹簧的刚度施加在模型中。我们一般采用的等效土弹簧,刚度使用规范采用的 M 法来进行计算参数,M 值表示土弹簧介质的弹性值[38]。同时在确定 M 值之前,要根据规范中的 M 取值来确定土的地基系数 C。这一系数主要跟依据土的物理性质和刚度来确定。

高校毕业论文怎么写


第三章 基于 IDA 方法的多跨连续刚构桥易损性分析 ·························· 25

3.1 易损性理论及方法 ········································ 25

3.1.1 易损性分析理论 ··································· 25

3.1.2 IDA 方法 ········································ 27

第四章 多跨连续刚构桥易损性分析结果 ······················ 35

4.1 易损性曲线建立思路 ······································· 35

4.2 顺桥向桥墩墩地震易损性分析 ······························ 36

4.3 横桥向桥墩地震易损性分析 ······································· 41

第五章 系梁对连续刚构桥地震作用下的易损性影响 ·························· 51

5.1 本章概述 ········································· 51

5.2  顺桥向桥梁易损性分析 ··························· 51

5.3 横桥向桥梁易损性分析 ···························· 56


第五章  系梁对连续刚构桥地震作用下的易损性影响


5.1 本章概述

随着西部地区的发展,西部地区的连续刚构桥梁越来越多,在高墩连续刚构桥梁中,使用最多的墩型就是双肢薄壁墩[100]。双肢薄壁墩因其刚度能够适应无支座桥梁的内力变形而备受推崇,但双肢薄壁墩的系梁对抗震能力的影响的研究尚不全面,目前的研究在系梁的抗震问题上仅仅做了一般性内力与变形对比,尚没有针对易损性的研究,故本文针对连续刚构桥系梁的有无做出易损性分析[101]。

本章节着重针对多跨连续刚构桥的系梁有无做出研究,在第四章中,本文已考虑布置系梁的刚构桥易损性分析,并对全桥的易损性做出相应分析。在本章节,继续沿用上一章使用的多跨连续梁模型,保持相应的参数与地震波选取,也同样使用 IDA 方法做出构件与全桥的易损性分析,区别在于本章模型中五个桥墩均不布置双肢薄壁墩的系梁,其模型如下图 5.1。

高校毕业论文参考

模型从左至右敲定依次编号 1-5#,因其墩顶轴力与桥墩截面参数均无变化,则各桥墩的弯矩-曲率曲线也无变化,本章的研究内容依旧可以沿用第三章的桥墩损伤指标。

本章模型继续使用 midas civil 有限元软件进行模拟分析,计算各墩墩顶在地震作用下的位移,计算位移延性比,对位移延性比进行回归分析,拟合易损性函数,得出各墩在地震作用下的易损性曲线,并计算得出全桥的易损性曲线。


第六章  结论与展望


6.1 全文总结

本文首先通过发展以及研究现状,介绍了连续刚构桥的发展与抗震所面临的困境。对于多跨连续刚构桥的力学特点,结构形式进行了介绍。并对目前抗震研究所采用的方法进行了介绍和选取。同时对易损性研究的发展过程、研究现状与不足之处进行了介绍,并对地震波的选取、阻尼的选取、地震强度的输入进行了研究。第三张通过全桥模型求取双肢薄壁墩横桥向与顺桥向的弯矩-曲率曲线,以弯矩曲率曲线为基准,制定了桥梁在两个方向上的损伤指标。第四章通过 Midas civil 软件进行有限元模型建模,通过比选确定了以地面峰值加速度 PGA 与位移延性比为指标的易损性研究。对多跨连续刚构桥的易损性进行了系统的研究分析:主要对其中构件的损伤概率进行了量化,同时对全桥系统的损伤进行了分析。第五章内容主要通过构建无系梁的双肢薄壁墩多跨连续刚构桥,对有无系梁的连续刚构桥的模型进行对比分析,对无系梁工况的模型进行了桥墩构件的易损性研究与全桥系统的易损性研究。得到了如下结论:

(1)在多跨连续刚构桥的横桥向与顺桥向,随着墩高的变化,直接影响了桥梁损伤概率。墩高的增大有助于桥梁损伤概率的降低。

(2)在地震作用下轻微损伤、中等损伤与严重损伤时,桥墩易损性曲线呈现出近似于线性的变化规律,在此区间内桥梁系统损伤概率急剧上升。而在完全无系梁工况与有系梁工况的变化趋势一致,仅在概率上有些许差别。全桥系统内的构件损伤概率增加,将直接推高全桥系统的损伤概率。

(3)在完全损伤状态下桥梁构件与桥梁系统的破坏发展速度相对较慢。曲线更趋于非线性,即桥梁结构易有塑性铰的形成与裂缝的发展,但并不易倒塌。

(4)两个工况的横桥向与顺桥向地震易损性曲线均可以看出,横桥向相对于顺桥向,前三个损伤阶段其变化差距不大,在完全损伤阶段,横桥向的损伤发展较快,即多跨连续刚构桥相对于纵桥向地震,其在横桥向地震下更易倒塌。

参考文献(略)

如果您有论文代写需求,可以通过下面的方式联系我们
点击联系客服