关键词：
高墩大跨连续刚构桥
地震动空间效应
多点多维激励
非线性动力计算
损伤分析
位移延性
易损性分析
延性优化方法
摘要：
近年来,我国中西部区域建设了大批高速公路、铁路等基础设施,其中,高墩大跨连续刚构桥已成为我国西部山区交通运输系统的肯綮和枢纽。近期拟建和在建的连续刚构桥结构在跨度和墩高上不断地刷新建设的记录。然而,目前的桥梁设计规范和通用分析方法都忽视了复杂地理环境中的空间地震动场问题,也无法匹配高墩大跨连续刚构桥的建设尺寸和规模。另一方面,国内外已建的高墩大跨连续刚构桥绝大多数尚未经历强震检验,因此急需深入研究空间地震动作用下高墩大跨连续刚构桥的非线性破坏规律与抗倒塌性能。本文提出了基于离散时域分析的空间相关多点多维地震动场改进模型,对桥梁模型进行损伤分析、增量动力分析和易损性分析等,深入研究了高墩大跨连续刚构桥在空间地震动作用下的失效破坏模式和延性优化方法。主要研究工作和创新性成果包括:(1)考虑复杂场地条件下空间差动效应的多点多维地震动场的改进模型。鉴于高墩大跨连续刚构桥纵向和竖向常要跨越复杂的地表类型,为了更合理地考虑基岩上覆土层对传至地表的地震波产生的复杂局部场地效应,基于离散时域内波的传递函数提出了地表空间地震动场的改进模型。该模型考虑了基岩入射地震波在上行过程中受到的土层多重反射和透射,通过采用各土层的物理参数(密度、厚度、阻尼比等),将地震波幅值和相位特征的变化表示为时域内的递归传递函数,考虑了局部场地效应对基岩入射地震波到地表形成空间地震动场产生的影响,可以广泛应用于复杂场地条件下高墩大跨连续刚构桥等结构的动力计算和精细化模拟。(2)地震动空间效应对高墩大跨连续刚构桥动力响应和损伤模式的影响。在基岩和地表处多组不同的地震激励工况下对某高墩大跨连续刚构桥有限元模型进行非线性动力反应分析。桥墩相对位移、桥面板及桥墩内力响应分布、各构件及桥梁整体损伤分布及发展过程表明柔性较高的高桥墩地震反应更不利;固结的墩梁节点和桥墩双肢的系梁连接处是连续刚构桥抗震性能的薄弱部位;考虑局部场地效应的地表空间地震动对结构动力性能的负面影响不可忽视。为了确保高墩大跨连续刚构桥在动力分析中具备保守的抗震能力,对局部场地效应可以忽略的简单地形条件,建议采用与空间地震动具有相同最大峰值加速度的一致激励进行分析作为简化的抗震分析和评估方法;在复杂场地条件下,需采用考虑局部场地效应的地表空间地震动作为多点激励进行分析和检验。(3)地震动空间效应对高墩大跨连续刚构桥延性和易损性的影响规律,以及考虑空间效应的桥梁抗震性能修正方法。采用增量动力分析计算高墩大跨连续刚构桥桥墩的极限延性系数和延性需求比,结果表明:损伤等级越严重,高墩相对于矮墩的延性拓展能力优势(提高抗震性能)越明显;空间地震动对桥墩在横桥向产生的动力需求比纵桥向大。在桥梁抗震设计中,可以采用空间地震动修正系数的上分位数作为桥梁抗震能力的放大系数,从而实现一致激励对多点激励的替代,简化计算流程。对高墩大跨连续刚构桥系统的易损性分析表明,在横桥向的抗震需求更高,但是在纵桥向,尤其是完全损伤状态的失效概率对地震动的空间效应更敏感。(4)对多跨连续刚构桥基于延性需求分布的延性优化方法。为了解决空间地震动场引起的各桥墩抗震能力与需求分布模式的冲突,消除桥梁抗震的薄弱环节,协调各桥墩的抗倒塌能力以及提高桥梁的整体抗震性能,采用极限延性系数作为能力指标,在满足约束方程的条件下,通过调整桥墩的纵筋配筋率和混凝土截面尺寸(优化变量),使各桥墩的延性能力按照需求关系进行优化分配,直到其等效延性能力在容许范围内收敛于桥梁的目标抗震延性能力值。优化变量的确定与配筋率有关,结果表明:优化得到的最优桥梁模型中,各桥墩的完全损伤易损性曲线与初始结构相比更趋于一致,失效概率的离散性大幅度降低,抗震薄弱环节得以消除,抗倒塌性能也得到提升;该优化方法能够减小桥梁结构的各级损伤概率,提升整体的抗震性能,从而实现优化目的。
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