近断层地震动作用下摩擦摆支座隔震连续梁桥结构响应分析

论文总字数：30703字

摘 要

摩擦摆支座（FPB）是一种性能优良的隔震支座，逐渐引起桥梁工程界的关注，但在近断层地震动作用下，FPB隔震桥梁受近断层地震动方向性效应、速度脉冲效应和上盘效应等效应的影响较大，因此有必要对近断层地震动作用下FPB隔震桥梁的地震响应进行具体研究。

本文首先介绍了近断层地震动的基本特征，并结合拟定工程场地特征选取台湾集集地震中的近断层地震动记录作为激励。其次采用SAP 2000程序建立了一座三跨预应力混凝土连续梁桥的有限元模型，对比分析了在远震和近断层地震动作用下未隔震和采用FPB隔震桥梁的地震响应，研究结果表明在远震和近断层地震动作用下FPB隔震桥梁的隔震效果良好，但与远震相比，近断层地震动作用下隔震效果较差。然后通过固定变量法分别改变FPB滑道面半径R和摩擦系数μ，研究了近断层地震动作用下摩擦摆支座参数变化对隔震桥梁地震响应的影响规律。结果表明，隔震桥梁的基本周期随FPB滑道面半径R的增大而增大，随摩擦系数μ的增大而减小；FPB支座位移随滑道面半径R的增大而增大；支座剪力和梁体绝对加速度随滑道面半径R的减小、摩擦系数μ的增大而增大。最后对本文的主要工作进行了总结，给出了研究结论，并指出了可以进一步研究的问题。

关键词：近断层地震动；摩擦摆支座；隔震桥梁；地震响应；时程分析

Abstract

Friction Pendulum Bearing(FPB) is a kind of isolation bearing with excellent performance which gradually attracts the attention of bridge engineering community. However, the directivity effect, velocity effect and hanging wall effect generated by near-fault ground motion have a great impact on FPB isolated bridges. So it is necessary to study the seismic response of FPB isolated bridge subjected to near-fault ground motion.

Firstly, the basic characteristics of near-fault ground motion are introduced in this dissertation. With the considering of site characterization of prepared engineering project, the near-fault ground motions recorded in Chi-Chi earthquake happened in Taiwan are selected as excitation.Then, the finite element model of a three-span prestressed concrete continuous girder bridge is built by program SAP 2000. The author analyses and compares the seismic response of non-isolated bridge and bridge isolated by FPB subjected to far-fault and near-fault ground motion respectively. The results show the isolation effect of FPB isolated bridge is good, but compared with far-fault ground motion, the isolation effect subjected to near-fault is poorer. Afterward, the influence of parameter change of friction pendulum bearing on the seismic response of isolated bridge is studied through fixed variable method by changing the slide surface radius R and friction coefficient μ of FPB respectively. The results show that the basic period of isolated bridge increases with the increasing of slide surface radius R of FPB, and decreases with the increasing of friction coefficient μ ; the bearing displacement of FPB increases with the increasing of slide surface radius R; the bearing shear and the absolute acceleration of girder increase with the decreasing of slide surface radius R and increasing of friction coefficient μ. Finally, the author summarizes the main work of the dissertation, gives the conclusions and points out the issues for further study.

Keywords: near-fault ground motion; friction pendulum bearing; isolated bridge; seismic response; time-history analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 摩擦摆支座简介 2

1.2.1 摩擦摆支座的构成和基本性能 2

1.2.2 摩擦摆支座的力学性能 3

1.2.3 摩擦摆支座在桥梁工程中的应用 4

1.3 论文主要研究内容 5

1.3.1 背景桥梁概况 6

1.3.2 主要研究内容 6

第2章 近断层地震动的特点及地震波的选取 7

2.1 近断层地震动的概念及其对隔震结构的影响 7

2.2 近断层地震动的基本特征 7

2.2.1 上盘效应 7

2.2.2 近断层地震动的集中性 8

2.2.3 地表破裂和地面永久位移 8

2.2.4 破裂方向性效应 9

2.2.5 速度脉冲效应 9

2.3 近断层地震波的选取 10

第3章 近断层地震动作用下FPB隔震桥梁响应分析…………… 12

3.1 桥梁有限元模型的建立 12

3.2 摩擦摆支座的参数选取 13

3.3 桥梁模态分析 13

3.4 远震与近断层地震动作用下桥梁结构响应分析 15

3.4.1 地震动的输入 16

3.4.2 远震作用下桥梁结构的响应 16

3.4.3 近断层地震动作用下桥梁结构的响应 18

3.4.4 远震与近断层地震动作用下桥梁结构响应比较 21

3.5 本章小结 23

第4章 FPB参数对桥梁地震响应的影响分析 25

4.1 FPB滑道面半径R对桥梁地震响应的影响分析 25

4.1.1 模态分析 25

4.1.2 5组FPB数据计算结果的比较 26

4.2 FPB摩擦系数μ对桥梁地震响应的影响分析 29

4.2.1 模态分析 29

4.2.2 5组FPB数据计算结果的比较 30

4.3 FPB滑道面半径R和摩擦系数μ的优化分析 33

4.3.1 模态分析 33

4.3.2 25组FPB数据计算结果的比较 34

4.4 本章小结 36

第5章 总结与展望 37

5.1 总结 37

5.2 展望 37

参考文献 39

致谢 41

1. 绪论

1.1 引言

地震作为一种自然现象，在短时间内能释放出巨大的能量，极具破坏能力。同时地震的发生又十分常见，在过去的几千年里对人类社会产生巨大冲击的地震屡见不鲜，特别是在最近几十年内发生了多次破坏力巨大的地震，如1994年美国里氏6.7级Northridge地震、1995年日本里氏7.2级Kobe地震、1999年中国台湾里氏7.6级Chi-Chi地震、2008年中国汶川里氏8.0级汶川地震等。纵观全世界发生的几次震害严重的地震，可以发现这些地震的一个显著特点：震害严重的区域大都集中在距断层很近的一个狭长范围内。台湾Chi-Chi 地震（1999年）、土耳其Kocaeli地震（1999年）以及日本Kobe地震（1995年）中严重震害的区域几乎都靠近断层两侧^[1]。由于这种特殊的破坏范围和严重的震害后果，这类地震动引起了人们的广泛关注。为区别于一般地震动，人们称之为“近断层地震动”并对其进行了深入的研究。举世震惊的5.12汶川大地震也属于近断层地震，其震害特点有：近断层地震的强地面运动破坏建（构）筑物；地表破裂带直接撕裂建（构）筑物；强地面振动和地表破裂错动导致的崩裂、滑坡等地质灾害摧毁或掩埋建（构）筑物^[2]。地震严重威胁着人们的生命财产安全，面对突发的地震如何尽量减少地震给人们带来的危害是人们必须要面对的问题。

随着科学技术的发展，结构的抗震设计也经历了不同的发展阶段。第一阶段是静力理论（即抗侧力系数法）的广泛应用，主要靠采用刚强的建筑结构（即“刚性结构体”）抵抗地震作用力；第二阶段开始于上世纪50年代初，随着强震仪的出现和强震记录的取得以及计算手段的发展，出现了地震反应谱分析法，这时人们开始考虑地震和结构动力特性的关系，提出了“延性结构体系”，即适当控制结构体系的刚度，使结构构件在地震时具有较大的延性以消耗地震能量，这是目前我国和世界各国普遍采用的抗震思想；第三阶段，由于延性结构体系不适用于某些重要建筑物（如纪念性建筑、核电站、配置昂贵设备和枢纽设施的建筑物）对变形的要求，人们开始致力于研究各种结构控制技术，从此人类抵御地震的思想由“抗”向“导”做了重大转变^[3]。

结构控制技术可分为被动控制、主动控制和混合控制三类。隔震技术从性质上说是被动控制技术的一种，也是一种先进、简便、经济的抗震手段。通过安置在结构与基础或者上部结构与下部结构之间的隔震装置将地震动“隔离”开来，延长结构的基本周期，以避开地震能量集中的周期范围，降低结构的地震作用力；同时在结构中引入阻尼装置，以增加结构的阻尼来耗散输入的地震能量，从而减小结构的位移，附带地还可以减小结构的动力加速度，达到预期的抗震要求^[4]。

据可查的文献资料记载，日本的河含浩藏最早提出了建筑隔震的概念。他于1881年在《建筑杂志》上提出了朴素的基础隔震思想。20世纪30年代隔震技术基础理论正式诞生，而通过20世纪70～90年代各国抗震研究者不懈的探索与实践，隔震技术已逐渐成熟并应用于实际桥梁工程，尤其是在美国、日本、意大利、新西兰等发达国家应用较为广泛。目前常用的隔震装置基本有三大类，即叠层橡胶支座（又分为普通叠层橡胶支座、铅芯叠层橡胶支座和高阻尼叠层橡胶支座）、摩擦滑移隔震元件和滚动摆、滚珠、滚轴元件，其中，叠层橡胶支座应用最多，国内的隔震工程几乎全部采用橡胶支座^[5]。而摩擦摆支座（FPB）近年来在美国得到了大量研发，应用也较为广泛。摩擦摆隔震装置最早由美国EPS(Earthquake Protection Systems)公司于1985年发明^[6]。摩擦摆支座主要由金属材料制作而成，这种装置具有构造可靠、经久耐用、效果好等特点，得到国外抗震工程界的认可和工程师们的青睐，在通用结构有限元分析程序中，如SAP2000和ETABS，专门提供了模拟摩擦摆支座的非线性连接单元，采用摩擦摆支座进行桥梁隔震设计已被美国各种抗震规范和规程所采纳^[7]。

1.2 摩擦摆支座简介

1.2.1 摩擦摆支座的构成和基本性能

摩擦摆支座是一种可靠稳定的金属隔震装置。它可以安装在结构与基础或者上部结构与下部结构之间。摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动，隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制，阻尼由动摩擦系数来控制^[6]。通过延长结构的基本周期，并在摩擦滑动表面人为地增设阻尼材料，可以对结构的水平振动起有效的隔震和耗能减震作用，同时可以大大减小传递给下部结构的侧向力，从而使结构在强烈的地震中幸免于难。图1-1为摩擦摆支座的构造示意图，支座各组成部分的名称如图中所示。其中滑动面朝上的支座一般用于基底隔震；而滑动面朝下的支座一般用于层间隔震。

图1-1 摩擦摆支座的构造

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