《大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震反应分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震反应分析（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要目前钢管混凝上拱桥的抗震研究相对其他类型大跨度桥梁而言较少，有必要全而开展此类桥型的地震反应研究，以便深入了解其地震反应特性和进行合理抗震设计。本文选取了上承式和中承式钢管混凝土拱桥各一座通过数值分析进行讨论和研究，采用的程序为M I D A S C I V I L 有限元分析程序。首先通过子空间迭代法分析了两种体系钢管混凝土桥梁的自振特性，然后以此为基础，分析了几何非线性、蛏向分量与水平分量的组合效应、桩土相互作用以及纵向、竖向行波效应对大跨度钏管混凝土拱桥地震反应的影响。大跨度钢管混凝土拱桥属于柔性、长周期结构且振型密集，振型组合须采用C O C 法；几何非线性对其地震反应的影响不明显
2、，可以忽略；大跨度钢管混凝土拱桥惯性力巨大，桩土相互作用对其地震反应有不利影响，软弱地基会加剧这种影响；纵向、竖向行波输入下地震反应比相应的一致激励所产生的反应要大，因此应根据实际的波速考虑行波效应的影响。关键字：钢管混凝土，拱桥，自振特性，地震反应，非线性，桩土相互作用，行波效应A B S T R A C TC u r r e n t l yb yc o n t r a s tw i t ho t h e rt y p e so fb r i d g e st h eC F S Ta r c hb r i d g es e i s m i cr e s p o n s er e l a t
3、i v e l yl e s s I ti sn e c e s s a r yt oc o m p l e t e l ya n dd e e p l yr e s e a r c ht h eC F S Ta r c hb r i d g es e i s m i cr e s p o n s eS Oa st or i g h t l yd oa n t i v i b r a t i o nd e s i g n T h i sa r t i c l es e l e c t e dr e s p e c t i v e l yo n eC F S Td e c kb r i d g
4、ea n do n eC F S Th a l f - t h r o u g hb r i d g et od on u m e r i ca n a l y s i sb yt h ep r o g r a mo fM I D A S C I V I L A tf i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r e e v i b r a t i o no ft w ot y p eb r i d g e sb ys u b s p a c e i t e r a t i o nm e t h o da n dt h e l lt h e
5、a r t i c l ea n a l y z e dt h ea f f e c t i o no fg e o m e t r i cn o n 1 i n e a r , v e r t i c a le x c i t a t i o na n dh o r i z o n t a le x c i t a t i o nc o m b i n a t i o n ，p e g s o i lr e c i p r o c i t ya n dl o n g i t u d i n a lo rv e r t i c a lt r a v e l - w a v ee f f e c
6、 tt oC F S Ta r c hb r i d g e s L o n g s p a nC F S Ta r c hb r i d g e sb e l o n gt of l e x i b l es t r u c t u r e sw i t hl o n g p e r i o da n dd e n s ev i b r a t i o n s h a p ea n dt h ec o m b i n a t i o nm e t h o do fv i b r m i o n - s h a p es h o u l db eC Q C ；t h ee f f e c to
7、 fg e o m e t r i cn o n l i n e a ri sn o tr e m a r k a b l e ；b e c a u s ei n e r t e rf o r c eo fL o n g s p a nC F S Ta r c hb r i d g ei sg r e a t ，t h ee f f e c to fp e g - s o i lr e c i p r o c i t yi sh a r m f u l ，e s p e c i a l l yf o rw e a kg r o u n d w o r k ；b yl o n g i t u d
8、 i n a lo rv e r t i c a lt r a v e l w a v ee x c i t a t i o nt h es e i s m i cr e s p o n s ei sg r e a t e rt h a nc o r r e s p o n d i n gi d e n t i c a le x c i t a t i o n S ，S Oa p p r e c i a t et r a v e l w a v ev e l o c i t yi su s e dt oa n a l y z el o n g - s p a nC F S Ta r c hb
9、r i d g e K E Y W O R D ：C F S T a r c hb r i d g e ，c h a r a c t e r i s t i co ff r e e - v i b r a t i o n ，s e i s m i cr e s p o n s e ，n o n - l i n e a r , p e g s o i lr e c i p r o e i t y , t r a v e l - w a v ee f f e c t重庆交通学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的
10、内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。学位论文作者签名匠爝峄同期：工口它岁年弓月j 多日第一章绪论第一章绪论1 1 钢管混凝土拱桥发展概况钢管混凝土结构最早出现在1 9 世纪8 0 年代。英国1 8 7 9 年建造的赛文( S e v e m )铁路桥采用了钢管混凝土桥墩，当时在钢管内填混凝土，主要是为了内部防锈，后来逐渐认识到混凝土的存在可提高柱的强度。在桥梁方面应用最早的是前苏联，1 9 3 0 年代苏联建成了跨越列宁格勒涅瓦河的l O l m 的钢管混凝土
11、拱梁组合体系桥”和位于西伯利亚的1 4 0 m 的钢管混凝土桁拱桥”“。我国在1 9 6 0 年代开始应用钢管混凝土。1 9 6 3 年北京地铁车站采用了钢管混凝土柱，1 9 7 2 年本钢轧钢车间的剐架柱、首钢二号炉的构架柱等也采用了钢管混凝土。随后钢管混凝土结构在工业和民用建筑中得到了较多的应用。然而钢管混凝构件应用于桥梁结构则是始于19 9 0 年代“”。我国是拱桥的故乡。虽然最早的钢管混凝土拱桥建造在前苏联，但真J 下发展壮大却在中国。我国第一座钢管混凝土拱桥于1 9 9 0 年在四川旺苍落成，它跨度1 1 5 m ，为下承式刚性系杆拱桥，拱肋断面采用哑铃形“1 t2 0 l0 旺苍大
12、桥的建成对我国公路拱桥的发展起到了巨大的推进作用，是我国桥梁史上的一座里程碑。目前我国已建成各种钢管混凝土拱桥1 0 0 多座“1 ，广州丫髻沙大桥主跨跨径达到3 6 0 m ，现已通车使用的巫山长江大桥跨度达到了4 6 0 m 。该类型拱桥中，上承式居少，大多为中承式和下承式。钢管混凝土拱桥在我国近十多年来能如此蓬勃发展，原因主要有两方面，。是其自身优势，包括强度高、塑性和耐火性能好、施工方便和经济效益高。另一个主要原因是该桥型符合我国目前之国情。近年来，我国大力发展交通基础设施建设，需修建大量的桥梁，拱桥作为我国历史上的主要桥型，其技术相当成熟。钢管混凝土拱桥作为一种新兴优势的拱桥桥型出现
13、而获得大量应用有其自身的优势= ”1 ：混凝土受钢管约束，三向受压。强度值高，承载力大，适用于修建高层建筑和大跨度桥梁结构；钢管对混凝土的约束也改善了混凝土，特别是高强混凝土的脆性性质，使其破坏时有较大的塑性变形能力，从而改善其抗震性能；钢管具有很高的强度和刚度，既可作为模板，同时管内不用配筋，再加上混凝土泵送工艺，钢管混凝土施工极其简单方便：此外钢和混凝土协同互补，使得钢管混凝土具有较好的耐火性能。我国对于钢管混凝土结构的研究虽然起步较晚，但发展迅速，己接近或达到国际先进水平，这也为钢管混凝土拱桥的应用提供了后盾；，j外，山于我国高质量钢材相对缺乏，在工程建筑中大量用钢是较为浪费的，因而，铜
14、管混凝上拱桥以其能节约钢材的经济优势而获得青隙。第一章绪论2值得注意的是，我们常称的钢管混凝土拱桥指的是那种钢管内包混凝土，钢管表皮外露，钢管作为构件主要受力组成部分，同时也作为施工时的劲性骨架，设计以前者为控制。而钢管混凝土构件用于拱桥还有一种形式，即是钢管内填外包混凝土，钢管表皮不外露，钢管主要作为施工的劲性骨架，先内灌混凝土成钢管混凝土后再外包混凝土形成断面，钢管材料参与建成后的受力，但不是以使用阶段为控制，而是以施工荷载为控制的。我们通常称这种拱桥为钢筋混凝土拱桥，有时也称为钢管混凝土劲性骨架拱桥。本文以前者为研究对象。然而，钢管混凝土拱桥作为一种应用新材料的桥型，其理论研究目前还相对
15、滞后，跟不上其发展的步伐。钢管混凝土拱桥由于材料强度的提高，施： 及成桥后的稳定性问题突出；而对于混凝土收缩、徐变、温度变化等引起的内力计算的研究尚处于初步阶段；对钢管的防锈问题也值得注意：另外，随着该桥型跨径的提高和规模的增大，对其动力性能的研究也必然重要而迫切，而以前的设计中，这方面的研究较少。1 2 钢管混凝土拱桥地震反应研究现状我国是个多地震的国家，钢管混凝土拱桥目前己越来越多地应用在地震区，研究其抗震性能和设计理论是一项迫切的任务。钢管混凝土拱桥由于建造的时间不长，还未受过强震的考验，并且国外也没有类似的报道，因此对其抗震能力的了解不够深入。迄今为止对拱结构开展的动力性能研究主要在动
16、力特性上。文献【4 】、【8 】计算了深圳北站大桥下承式钢管混凝土刚性系杆拱的前八阶自振频率和振型，分析了各阶振型的特点以及横撑、拱肋刚度等对自振频率和振型序列的影响。文献【9 】计算了福建石潭溪大桥中承式钢管混凝土桁拱的自振特性，计算模型采用了空间梁单元，将桥面板与桥面铺装也以梁格模拟。文献【1 0 】、【1 1 】则计算了黄柏河大桥上承式钢管混凝土肋拱桥的自振频率，所不同的该文将桥面板梁及铺装层模拟为各向同性的板单元。上述计算主要依靠通用程序，如S A P 和A N S Y S 软件。文献【1 2 】【1 3 】对南海三山西大桥和柳州文惠桥进行了动力实测，得出了前几阶的自振频率。通过类似研究，了解了钢管混凝土拱桥自振频率和振型的特点，对拱桥抗震概念设计提供了依据。除此之外部分文献还作了地震响应分析，文【1 5 】利用反应谱法，文【1 4 则利用弹性时程分析法。将地震反应结果与活载作用作了比较，多数情况下，地震作用不如活载影响大。可以看出，钢管混凝土拱桥抗震研究尚属起步阶段。至于在地震作用下钢管混凝土拱桥的破坏机理、钢
