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1、华中科技大学 硕士学位论文 地震作用下连续梁桥碰撞影响因素及防撞措施研究 姓名：陈恩友 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：龙晓鸿 20090528 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 论 文 论 文 I 摘摘 要要 地震作用下桥梁结构会遭受很大的破坏，使国家的交通和经济方面遭受巨大的 损失。连续梁桥梁间碰撞是桥梁震害的一个重要方面，碰撞的发生极大的改变了桥 梁的动力响应，对桥梁结构整体或者局部都产生极大的危害。因此对桥梁碰撞影响 因素及其防撞措施的研究有较大的理论和工程实际价值。 本文的研究主要包括以下几个方面： 首先介绍
2、了几种常用的碰撞模型，给出其碰撞力计算公式，并且依据其特点选 出合适的碰撞模型。 其次给出了连续梁桥的简化力学模型和结构的运动方程，应用龙格-库塔算法解 微分方程，选用 MATLAB 来实现整个求解过程。选取一两自由度体系，确定好合适 的参数， 得出结构在地震波作用下的动力响应。然后在 ANSYS 中建立起相同的有限 元模型，进行时程分析得出动力响应，通过两者的对比，验证简化力学模型选取和 MATLAB 编程的正确性。 再次用方程的标准化确定影响桥梁碰撞响应的因素，使用两自由度体系研究各 个因素对桥梁碰撞响应的影响，总结出各个影响因素对桥梁结构的影响规律。接着 选用一个实际工程模型，用有限元软
3、件进行时程分析，得出前面的因素对桥梁碰撞 响应的影响，验证 MATLAB 的计算规律的正确性。 最后提出了一种避免碰撞或者减小桥梁碰撞响应的措施，在相邻联桥梁中间安 装粘滞性阻尼器，介绍其工作原理，研究了安装粘滞性阻尼器对桥梁结构动力响应 的影响。 关键词关键词：碰撞模型 力学模型 运动方程 影响因素 防撞措施 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 论 文 论 文 II Abstract Bridge structure may suffer great damage under earthquake ,which will cause
4、 the massive loss to the countrys transportation and the national economic . The pounding between adjacent bridges in continual bridge is an important aspect of bridge damage . Seismic pounding has significant influence on the seismic responses of bridges and cause great damage to the overall and pa
5、rt of bridge . The study of influencing factors of the bridge pounding and the measures to prevent the pounding has great theoretical and engineering significance . The main contents studied in this paper are as follows: Firstly , the commonly used pounding models are discussed in this paper . The f
6、ormulation calculating the pounding force of pounding element are also addressed ,and based on their characteristics an appropriate pounding model is selected . Secondly ,the simplified mechanical model of the continuous bridge and the structure equation of motion are addressed . Then the classical
7、fourth-order Runge-Kutta method for solving first-order differential equation is well suited for computational solution . The system of equation is implemented in MATLAB . A two degree-of-freedom systems with appropriate parameter is selected , then the dynamic response of the structure is obtained
8、under earthquake .The same finite element model is established in ANSYS, the seismic response of the structure is gave used the time-history analysis method . Comparing with anterior result , the accuracy of the simplified mechanical model and the MATLAB programming can be validated . Thirdly ,the f
9、actors influencing bridge pounding response are determined used the standardization of the motion equation . In two degree-of freedom system ,each of influencing factor are studied and how each factor influence the dynamic response of the structure can be summarized . An actual project model in ANSY
10、S is studied , the law of 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 论 文 论 文 III the influencing factor is founded used time-history analysis to verify the accuracy of the result in MATLAB . Finally, a measure to prevent the pounding or decrease the seismic pounding responses is addressed . The
11、 working of viscous dampers is introduced . The dynamic response of bridge structure can be efficiently decreased by utilizing suitable viscous damper through research . Keywords: pounding model mechanical model equation of motion Influencing factors of pounding measure to prevent pounding 独创性声明独创性声
12、明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可
13、以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 论 文 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 随着城市现代化的发展， 交通网络在整个城市生命线抗震防灾系统中越来越重要, 其中桥梁起到的作用也越来越重要。然而，近几十年来世界各地发生的多次地震灾害 都造成大量桥梁的严重破坏,对整个城市乃至国家的交通、经济都产
14、生了很大的影响。 1971 年美国 San Fernando 地震中就发生了很多起桥台和桥面的碰撞破坏； 并且还在相 邻结构之间发生了严重碰撞 1。1995 年 Hanshin 高速公路桥桥面在 Kobe 地震中产生 30cm 的位移，这么大的纵向位移引起了相邻结构间的碰撞，碰撞导致桥梁结构产生 严重的破坏2。 由此可以看出地震作用下桥梁的严重破坏不仅会导致交通网络的瘫痪， 阻碍城市交通的发展，而且还对经济造成很大的破坏，震后抢救修复工作会耗费巨大 的人力物力财力，造成很大的经济负担，因此地震作用下桥梁的破坏值得进行深入的 研究。 大量地震灾害现象分析表明，地震造成桥梁破坏的原因和形式是多种多
15、样的。多 跨简支桥梁有众多的独立部分并且在结构上缺少必要的连贯性，所以最容易在地震中 发生碰撞行为，并且对桥梁结构产生比较大的危害。碰撞行为一般会带来一些桥梁结 构的破坏，这些破坏行为可能是桥梁梁端开裂、混凝土脱落和落梁3等，其中对桥梁 结构破坏最为严重的是落梁现象。一般来说，桥梁设置伸缩缝的地方最容易发生碰撞 震害。如果上部结构的位移超出了桥墩的支承面，就会发生落梁现象。当上部结构发 生落梁时，如果落下的主梁撞击到桥墩，还会给下部结构带来很大的破坏，造成整个 桥梁结构更大的破坏4。最近几十年发生的大地震中，根据国内外地震研究工作者的 震害调查分析，桥梁梁间碰撞是桥梁震害的一个重要方面，桥梁间
16、的碰撞对桥梁结构 有很大的影响，碰撞的发生极大的改变了桥梁的动力响应。目前我国大力发展公共基 础建设，桥梁结构在其中占很大一部分，因此对桥梁结构在地震作用下碰撞响应的研 究具有重大意义。 要研究桥梁的梁间碰撞问题，必须先对桥梁碰撞影响因素有清晰的认识，从整体 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 论 文 论 文 2 上把握桥梁碰撞的特点，也要从细节上了解桥梁碰撞的具体特征，然后在此基础上才 能提出有效可行的防止碰撞或者减小碰撞响应的措施。桥梁梁间碰撞属于接触问题， 其影响因素众多并且很多因素是相互关联、相互影响的，因此想要比较精确的描述桥 梁的碰撞行为、比较确定的解决桥梁碰撞响应是十分困难的。综上所述，对于桥梁碰 撞影响因素的研究具有重大的意义。地震作用下桥梁碰撞的危害巨大，对防止桥梁碰 撞或减小桥梁碰撞响应的措施和方法的研究也显得非常必要，有一定的理论和实际意 义。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 1.2.1 桥梁碰撞模型的
