关键词： 高墩大跨连续刚构   地震响应   塑性铰   反应谱分析   时程分析  

摘要： 近年来,世界破坏性地震频发,其直接震害及由此引发的次生破坏给人类生命、财产造成了灾难性损失。同时也给人们带来了深刻的启示,促使了人们对抗震减灾环节中作为生命线工程的桥梁的抗震设计产生了新的思考,桥梁地震响应分析已成为桥梁设计的焦点问题。随着我国经济建设及交通事业的快速发展,高墩大跨连续刚构桥因外形轻巧、材料节约、兼具梁桥与拱桥特点,在跨越深谷沟壑时得到了越来越广泛的应用,对高墩大跨连续刚构桥的地震响应特性展开研究具有十分重要的意义。本文以一座高墩大跨连续刚构桥为研究对象,在论述桥梁抗震原理、抗震方法的基础上,建立了桥梁动力分析数值模型,对其进行动力特性分析。并针对E1、E2两水准地震分别采用反应谱与时程分析分析法对桥梁进行抗震性能分析,获得了高墩大跨连续刚构桥地震响应的基本特性及规律。本文主要研究工作如下:1.第一章对本文的研究意义及背景进行系统论述,总结了桥梁破坏性地震常见震害与桥梁抗震设计的主要设计内容与设计原则。介绍了桥梁抗震重点问题的国内外研究现状及采用的成熟设计方法,提出了本文的主要研究内容与研究方向。2.第二章主要介绍了常用的桥梁地震响应基本分析方法,包括静力法,弹塑性分析法,反应谱分析法,线性时程分析法与非线性时程分析法等。3.第三章总结了桥梁动力特性有限元分析的基本原理及方法,并基于一座高墩大跨连续刚构桥的工程实例,建立结构抗震分析有限元模型,对其动力自振特性进行研究分析。4.第四章在已建立工程实例有限元模型的基础上,获得了震区反应谱与反应谱所对应的人工时程波,采用反应谱与线性时程地震响应分析方法对桥梁进行地震响应分析,获得高墩大跨连续刚构桥典型地震响应特性。将地震响应结果与抗震细则规范值进行比较计算,确保结构安全、可靠。通过地震动峰值调幅方法,采用截面纤维铰研究本桥塑性铰特性及调幅后塑性铰出现规律。5.最后根据本文理论总结了高墩大跨连续刚构桥地震响应分析成果,提出了本文获得的一些结论,并提出进一步研究的方向,以期能够为高墩大跨连续刚构桥地震响应分析及结构安全设计提供理论支撑与计算依据。

关键词： 连续刚构桥   钢管混凝土   OpenSees   格构柱   IDA   易损性  

摘要： 高墩大跨连续刚构桥作为交通运输网中重要的组成部分,其桥墩高度和跨度都已经超出了抗震设计规范的限值,而且目前进行抗震研究的高墩大跨连续刚构桥,其桥墩主要是钢筋混凝土薄壁空心墩,对桥墩采用钢管混凝土格构柱的桥梁的抗震研究还比较少,所以开展对这两种桥墩的高墩大跨连续刚构桥的抗震性能研究和易损性分析是必要的,通过分析计算,采用更有利于高墩大跨连续刚构桥的抗震性能的桥墩。本文以汾河特大桥为研究对象,首先运用OpenSees建立了10 m的主桥桥墩的矮墩模型,采用位移加载的方式研究了薄壁空心墩在纵桥向低周反复荷载作用下的抗震性能；根据截面的承载力相同,等效换算得出格构墩的桥墩截面,运用OpenSees建立了10 m的格构柱模型,在不同的轴压比和不同的缀条连结方式情况下,与钢筋混凝土薄壁空心墩做抗震性能的对比,选取抗震性能优于钢筋混凝土空心墩的格构墩,对钢筋混凝土薄壁空心墩进行替换。运用OpenSees建立汾河特大桥的有限元模型,采用动态时程分析方法,按规范要求对汾河特大桥的模型输入三条峰值加速度调幅为0.2 g的地震波纵桥向激励,得出桥梁的响应值最大的地震波为E1-Centro波；其次运用OpenSees建立主桥桥墩为格构柱的桥梁有限元模型,其材料和本构关系,选取E1-Centro波分别对主桥桥墩不同的两种连续刚构桥进行纵桥向和横桥向的地震激励,研究了两种桥梁的主桥桥墩的地震响应情况。运用增量动力分析(IDA)的研究方法,依据FEMA351,定义了桥墩截面的损伤状态,选取E1-Centro波对主桥桥墩不同的两种连续刚构桥,进了纵桥向的易损性分析,研究了两种桥梁在不断增强的地震激励作用下的抗震性能。

关键词： Pushover   Chopra改进能力谱   高墩大跨连续刚构桥   侧向力分布模式   基于性能抗震研究  

摘要： 桥梁结构作为交通运输中的关键节点,保障其在遭遇地震作用下的工作性能是非常必要的。而随着高墩大跨连续刚构桥在很多地区的大量出现,对这种桥型进行抗震性能评估就显得非常有意义。如果有一种简洁、可靠的抗震性能评估方法,那么将会节省工程师们大量的时间与精力。Pushover方法作为一种简单方便的抗震性能评估方法已在建筑结构中得到了充分应用,而在高墩大跨连续刚构桥中的适用性如何,本文对其做了一些尝试性的研究工作:(1)文章对桥梁结构的震害进行了系统的总结与归纳;并对常用的抗震设计分析方法及发展历程做了简单的介绍。另外针对基于性能的抗震理念,进行了叙述,并介绍Pushover方法的研究概况。(2)对Pushover方法的基本原理与步骤进行了说明,并对其与能力谱相结合的抗震性能评估过程进行详述。由于桥梁体系的上部结构自重很大,所以基于此对传统的倒三角加载模式与均布力加载模式进行了改进,并结合一座80m墩高的刚构桥,采用集中力、改进倒三角、改进均布力等分布力模式进行了Pushover分析,并通过Chopra的改进能力谱方法求出三种地震幅值(0.2g、0.4g、0.6g)的性能点,然后将其与弹塑性时程得出的结果进行对比,得出改进倒三角在顺桥向比另外两种的精度要高,而对于横桥向,集中力模式精度要高些。(3)采用了考虑模态分布形状及高阶模态的加载模式对结构体系进行了Pushover分析,得出了模态组合侧向力方式(先组合)并不比一阶模态加载方式的计算精度高;而考虑多模态的MPA方法(后组合)与一阶模态加载方式在位移结果上相差无几,但是多模态MPA分析方法在基底剪力预测上更准确。(4)最后采用了相对简单的一阶模态加载方式对80m墩高的刚构桥进行了Pushover分析,并将其与规范反应谱相结合进行了抗震性能的评估,并讨论了9度地震作用下,塑性铰的破坏情况。

关键词： 非对称高墩大跨连续刚构桥   主动控制   合拢顶推力   合拢顺序   预应力张拉顺序  

摘要： 由于经济建设的需要,高墩大跨连续刚构桥的应用也越来越广泛,其安全问题也越来越需要重视,与一般的连续刚构桥相比,非对称高墩大跨连续刚构桥在合拢期间结构受力更为复杂且线形不易控制,因此有必要对其合拢期间结构的挠度与应力实施主动控制,以确保成桥后结构线形可以满足设计要求。本文以凯峡河特大桥主桥为依托,对非对称高墩大跨刚构桥合拢期间的主动控制技术进行了相关研究。首先,主要总结与介绍了温度作用以及混凝土收缩徐变作用对高墩大跨连续刚构桥在合拢成桥期间与后期长期运营过程中的结构内力与变形的影响。其次,对合拢期问顶推主动控制技术进行了研究。详细研究了所需顶推力的计算方法,利用有限元模拟分析得出了当结构实际合拢温度不同于设计合拢温度时,应该如何合理选取顶推位移与顶推力。另外研究了不同合拢顺序下对结构变形和内力的影响,并通过比较确定按照边跨、次中跨、主中跨的合拢顺序为最优合拢顺序。最后,对合拢段预应力钢束不同张拉顺序对结构的影响进行了分析研究,发现按照先长束后短束的张拉顺序较为合理,最后提出了减少预应力损失的相关建议,建议在跨中下挠较大时及时设置备用束。

关键词： 行波效应   刚构桥   地震响应   桥墩高度   大跨度  

摘要： 随着我国公路交通建设逐步向西部山区的发展，高墩大跨连续刚构桥由于自身对西部地区特殊地形良好的适应性，得到了越来越多的使用，但高墩大跨连续刚构桥本身受力复杂，西部地区又为我国地震多发地区，为保证刚构桥的抗震性能满足要求需要对刚构桥的抗震性能进行分析。据此，本文从桥墩高度和边、中跨比出发，研究了多点激励作用下不同桥墩高度、不同边、中跨比对刚构桥抗震性能的影响，主要包括以下几方面： （1）首先介绍了连续刚构桥的特点，进而就高墩大跨连续刚构桥地震响应分析研究的现状进行了综述；接着阐述了桥梁地震响应分析的基本理论，主要对反应谱法和动力时程法进行了介绍。 （2）建立刚构桥的有限元分析模型，对刚构桥的自振特性进行了分析并讨论了行波效应对刚构桥地震反应的影响。 （3）研究了桥墩高度对连续刚构桥自振特性和地震响应两方面的影响，结果显示：随着桥墩高度的增加，桥梁的各阶频率变化较大，各位置内力随之改变并且桥梁的破坏形式也发生了改变。同时讨论了行波效应对高墩大跨连续刚构桥抗震性能的影响，结果表明：行波效应的影响因桥墩高度的改变而变化，桥墩较低时墩底内力增加、墩顶内力减少，桥墩较高时与之相反。 （4）研究了边、中跨比对桥梁抗震性能的影响，边、中跨比的改变使得桥梁各位置内力随之发生变化，经对比分析发现最适宜的边、中跨比为0.55左右；同时经对比分析发现地震波的输入方向对桥梁地震响应有较大影响，其中在墩顶的影响要比墩底明显。

关键词： 高墩大跨连续刚构桥   抗震性能   Pushover分析   正交表   BP神经网络   遗传算法  

摘要： 预应力混凝土连续刚构桥梁是一种墩梁固结的结构形式,从结构力学上来讲是一种超静定结构。其优点较多：整体性好、跨度大;结构连续无伸缩缝、行车平顺;相关材料用量省;施工方便;墩顶处的负弯矩消减了跨中的正弯矩;能够较好的适应预应力、混凝土收缩、徐变以及温度变化产生的位移;在大跨度桥梁结构中造价相对来说低很多;结构形式纤巧,造型优美等。基于这些优点,连续刚构广泛应用于高墩大跨结构形式之中,例如对于航行要求较高的大河、深山中的V沟等复杂地形,连续刚构的应用就大量存在。由于此种桥型的大量应用,相关方面设计要求非常高,但是,这种桥型的设计工作量大,结构中的设计参数大多是经验得来的,这是不合理的。高墩大跨径的PC连续刚构桥广泛应用于云贵高原西南地区地形复杂的地方,而且这样的地区地震活动频繁,大震重现期较短,并且连续刚构桥基于抗震性能的参数优化又少之又少,利用经验值对连续刚构桥进行设计既不经济,又没理论依据,结构安全储备度尚不可知。因此,对高墩大跨径PC连续刚构桥基于抗震性能的参数优化有着重大的意义。本文以昆明市轿子山旅游专线公路3合同段的马过河大桥为研究背景,围绕连续刚构桥基于抗震性能的参数优化展开研究工作,主要完成的工作和结论如下：(1)介绍了地震对桥梁造成的各种各样不同程度的损害,以及地震对桥梁造成损害后的启示以及教训,同时介绍了连续刚构桥的发展历程和抗震方面的研究进程。对结构地震反应的分析方法进行了详细阐述,引出了本文所用的抗震研究方法-静力弹塑性分析方法(Pushover分析方法),并详细介绍了其方法使用的理论依据和使用方法。(2)对已经建成的连续刚构桥的参数进行整理归纳,得出相应的使用范围。根据地震的设防等级,设定目标函数。首先,利用了正交表对参数进行优化,初步得出了参数组合：边中跨比值为0.6,双薄壁墩墩间距为10m,墩厚度为4m,相应的墩壁厚度为0.7m。利用正交表在节省优化时间的前提下,又保证了优化结果的精度。(3)正交表只能在已经组合好的参数中,选出最优的参数组合来,并不能脱离这个范围,有一定的局限性。在正交表36个参数组合不变的情况下,利用神经网络和遗传算法进行求解最优值,神经网络具有很强的非线性映射能力,将训练结果保存用遗传算法进行寻优,求解出最优值。得出的最优组合是：边中跨比值为0.53,墩间距为9.56m,墩的厚度为3.99m,墩壁厚度为0.654m。

关键词： 高墩大跨连续刚构桥   非线性时程分析法   系梁   易损性分析  

摘要： 近些年来，高墩大跨连续刚构桥这种结构类型在沟壑、峡谷等受地形、地貌条件限制的地区逐渐得到了广泛的应用，本文以云南昆明的一座连续刚构桥为例，采用有限元分析软件Midas Civil，对墩柱的地震易损性进行分析，在上部结构质量、墩柱截面形式、跨度、墩柱配筋率等条件不改变的情况下，改变墩柱系梁的数量，采用位移延性比损伤指标，分析系梁设置的数量对高墩大跨连续刚构桥墩柱地震易损性曲线的影响，结果表明：随着系梁数量的增加，该桥的抗易损性能力随之减小；反之增强。但是考虑到地震作用下连续刚构桥的整体稳定性，设一道系梁较为合理。

关键词： 连续刚构桥   施工控制   承台水化热   挂篮静载试验  

摘要： 随着新工艺、新设备、新材料和新的设计手段的开发与应用,预应力混凝土连续刚构桥凭借其施工方便、线形美观以及跨越力大的特点在大跨桥梁中应用得越来越广泛。大跨连续刚构桥的施工方法一般采用平衡悬臂浇筑法。在进行悬臂施工的过程当中,结构必然会受到诸多因素对它的影响,比如控制参数存在的误差、施工存在的误差、测量存在的误差以及砼的收缩徐变、温度变化等等。在施工阶段中随着桥梁结构和荷载状态的不断变化,结构的内力以及变形将随之不断地发生变化,并且所产生的变化幅度比较大。为保证施工质量和桥梁建设过程中的安全,必须对桥梁的结构内力分布和成桥线形进行监控,这就是桥梁施工控制的内容。本文结合天桥特大桥这个实际工程,对连续刚构桥的施工关键技术问题进行研究,同时考虑到本桥承台混凝土为大体积混凝土,故进而对大体积混凝土的水化热温度监控问题进行研究,探讨承台冷却系统布置的可行性。本文重点对该桥悬臂施工过程中的线形控制和应力控制进行研究,把施工控制理论具体运用到工程实践进行了分析,同时采用桥梁结构分析软件MIDAS/CIVIL对全桥进行逐段施工仿真模拟分析,作为各施工阶段进行调整控制的依据。数值分析计算结果确定了成桥预拱度以及施工预拱度,最后得到了总的预拱度理论分析值,确定了立模标高的计算公式,通过与实际监测结果进行对比,说明了计算结果的正确性。在应力控制中,由软件分析计算,得到了各施工阶段结构的理论应力值,通过与实际监测结果进行对比基本吻合,达到了对该桥应力控制的目标。

关键词： 柱板式空心墩   连续刚构桥   温度场   温度效应   ANSYS  

摘要： 随着经济的发展,近十年我国铁路建设得到了高速化发展,特别是在我国西部地区。西部地区以山地和黄土沟壑地形为主,地表高差悬殊。因此建造了一大批高墩大跨度的桥梁,其中以混凝土桥梁为主。这种桥梁结构在日照辐射和气温变化等环境因素的影响下,会引起其结构内部温度的非均匀变化,形成非线性温度分布,使结构内部纤维间发生非均匀的温度变形,从而引起结构产生温度应力。当桥梁结构是超静定结构时,还会引起温度次内力。温度应力可能会比外荷载产生的应力还要大,是混凝土桥梁结构裂损的重要原因之一。因此,对混凝土桥梁的温度效应进行研究是有必要的。本文以黄(陵)-韩(城)-侯(马)铁路线上的纵目沟特大连续刚构桥为工程背景,对高墩大跨连续刚构桥的温度效应进行研究。前期对纵目沟大桥5#新型柱板式空心高墩进行了现场温度实测,并对实测数据分析,得到了桥墩的温度场分布。本文主要进行如下工作:(1)根据现场实测数据分析结果,结合我国铁路规范确定了箱梁的温度场分布。通过研究设计图纸资料和铁路规范及当地气象资料,确定了有限元模拟温度场和计算温度效应的各种参数。(2)用有限元软件ANSYS建立全桥三维实体模型,模拟计算箱梁和桥墩的温度场,将计算温度值与理论值对比分析,找出与理论值差别最小的模拟温度场的热传导时间。(3)利用有限元软件ANSYS计算顺桥向日照、斜桥向日照、横桥向日照、寒潮降温及年温差作用下全桥的温度应力,得到如下成果:(1)在顺桥向日照时箱梁端部和5#桥墩墩顶都出现了沿纵桥向的最大位移,分别为24.6mm和17.8mm;在横桥向日照时箱梁和5#桥墩墩顶都出现了沿横桥向的最大位移,分别为18.7mm和15.1mm;年温差作用主要使连续刚构桥箱梁的两端发生较大位移,最大值达52.5mm,设计时应考虑到并设置好伸缩缝;(2)箱梁和桥墩在日照和寒潮作用下应力场分布与温度场分布相似,呈非线性分布;在日照温差作用下外壁面受压,内壁面受拉,寒潮降温作用下外壁面受拉,内壁面受压,最大压应力值达8.48MPa,日照和寒潮作用下拉应力超过混凝土的抗拉极限强度,最大拉应力达4.82MPa;(3)内外壁面的温度应力值随着截面位置的不同,应力值变化较大,箱梁轴向应力变化幅值较大,横桥向和竖向应力基本不变。箱梁在桥墩位置处应力值会发生突变,桥墩在中间横梁位置处应力值也会有突变;(4)年温差荷载作用下矮墩温度应力比对高墩温度应力大的多,说明年温差荷载对矮墩的温度应力影响更强;不过会引起高墩竖向更大的位移。

关键词： 超高墩效应   非线性   悬臂施工   温度梯度   不平衡   挂篮  

摘要： 185m超高墩大跨T构悬臂施工中,墩身的柔性尤为突出,在温度和其他不平衡等因素作用下,墩身极易出现纵向挠曲变形,致使T构发生“跷跷板”变形,随之加剧结构稳定性降低,如此循环带来超高墩效应不断放大。因此,必须结合实际深究悬臂施工中的超高墩效应,为此类超高墩结构积累更多理论与实践经验。本文结合三水河特大桥墩高185m的14#超高墩大跨T构悬臂施工,首先,根据非线性分析理论,分别采用弹性、考虑几何非线性和考虑材料非线性分析方法,对超高墩T构最大悬臂状态进行静力和稳定性分析,并且研究不同墩高和三种墩身形式下超高墩稳定性差异。其次,根据长期现场气温观测和24小时墩身截面温度观测,总结出温度变化规律;分别对升温、降温和日照温差在不同施工状态下进行超高墩效应分析,以及在一个节段内日照温差交替变化下的响应。最后,结合现场实际悬臂施工监控中的标高误差源,归结出超高墩大跨T构悬臂施工中引起不平衡作用的因素,分析荷载偏差、张拉预应力、不同步施工、方案变更和挂篮跌落情况带来的超高墩效应,同时给出一定的实际建议和相应预防措施。经过分析,对于超高墩结构必须考虑其几何和材料非线性,尤其几何非线性对超高墩偏位影响比重在15%左右;建议墩高超过120m的墩界定为超高墩,具有明显高墩效应;墩身形式的选择没有规定的最优选择,根据不同桥梁结构考虑重点侧重选取;日照温差变化下,外界温度最大时,薄壁内侧温度并不是最低的,最低温度基本出现在中间壁厚位置处,呈现非线性关系;在施工悬臂梁端标高误差分析中,温度作用下的超高墩T构位移响应在2cm左右,其余误差多由不平衡作用产生;相同节段块连续不同施工工序出现正负温度作用和正负不平衡作用,其结果不会完全抵消,只会削减一部分;施工挂篮跌落过程存在动力时程效应,超高墩和悬臂梁强度均可满足,变形量过大,所以必须避免出现此情况。总之,积累更多实际超高墩施工经验才能丰富超高墩效应的理论分析。