大跨连续减隔震铁路桥梁抗震性能研究毕业论文

 2020-03-24 15:53:51

摘要

身为现代交通运输中极其重要的枢纽工程之一，大跨度桥梁在国民经济中占用重大地位，因而对桥梁进行抗震设计后能够提高其抗震性能，在一定程度上有力保障国民生命财产安全。

减隔震技术旨在通过采取抗震措施，使得传递到上部结构的地震力和能量大幅度降低，目前主要是采用减隔震装置，尽量将桥梁结构或部件与可能造成破坏的地面运动或支座运动隔开。

本课题研究内容具体列出如下：

1.简述地震危害及其桥梁震害，分析相关经验教训，继而介绍桥梁减隔震技术的原理及发展等内容。

2.概述了动力时程分析法，并且列出了Newmark-β法的推导过程及其具体步骤。

3.以连续梁桥为研究对象，采用ANSYS软件建立了它的动力有限元模型，并分析了采用隔震措施的隔震梁桥的地震响应。

4.分析了地震荷载下未隔震梁桥的地震响应，将其与隔震情况下的地震响应进行对比，算出隔震率，分析了减震效果。

关键词：大跨连续梁桥；减隔震；时程分析法；双线性模型

Abstract

As one of the most important pivotal projects in modern transportation, long-span bridges occupy a significant position in the national economy. Therefore, seismic design of bridges can improve their seismic performance, and to a certain extent, they can effectively guarantee the safety of life and property of citizens.

Seismic isolation technology aims to greatly reduce the seismic forces and energy transmitted to the superstructure by adopting anti-seismic measures. Currently, seismic isolation devices are mainly used to separate the bridge structure or components from the ground motion that may cause damage.

The research content of this topic is listed as follows:

1. Briefly describe earthquake hazards and bridge damage, analyze relevant experiences and lessons, and then introduce the principle and development of seismic isolation technology for bridges.

2. An overview of the dynamic time history analysis method is presented, and the derivation process and specific steps of the Newmark-β method are listed.

3.Taking the continuous beam bridge as the research object, ANSYS software is used to establish its dynamic finite element model, and the seismic response of the isolation beam bridge with seismic isolation measures is analyzed.

4. Analyze the seismic response of the unisolated girder bridge under earthquake loading, compare it with the seismic response under isolation, calculate the isolation ratio and analyze the damping effect.

Key Words：long-span continuous beam; seismic reduction and isolation; time history analysis; bilinear model

目录

摘要 I

Abstract I

第1章绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 铁路桥梁震害分析 1

1.2.1 铁路桥梁的主要震害形式 2

1.2.2 铁路桥梁震害的启示 2

1.3 桥梁减隔震技术 2

1.3.1 桥梁隔震的概念和原理 3

1.3.2 国外桥梁隔震技术的发展 4

1.3.3 国内桥梁隔震技术的发展 5

1.4 课题研究意义 5

第2章分析方法—动力时程分析法 7

2.1 概述 7

2.2 动力方程的建立 7

2.3 Newmark-β法求解运动方程 9

2.4 本章小结 10

第3章桥梁动力有限元模型的建立 11

3.1 连续梁桥的基本参数 11

3.2 桥梁的有限元模型 12

3.2.1 减隔震支座参数设置 12

3.2.2 隔震桥梁的模拟 13

3.2.3 不隔震桥梁的模拟 13

3.3地震波的选取 14

3.4本章小结 15

第4章桥梁的振动特性分析及抗震计算 16

4.1振动特性分析 16

4.2 抗震计算 20

4.3 本章小结 25

第5章地震作用下大跨桥梁的减隔震效应分析 26

5.1 桥梁模型隔震与非隔震的效应对比 26

5.2 减隔震效果分析 34

5.3 结构抗震性能验算 36

5.4本章小结 37

第6章结论与展望 38

6.1 结论 38

6.2 展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章绪论

1.1 研究背景

地震是一种自然灾害，能够造成地面的强烈震动，引起极大的生命财产威胁。据相关统计表明，每年高达上百万的地震次数中有感地震所占约为1%，对人们生命财产造成巨大损害的大地震则为数更少，不到二十次。但是一旦发生强震会给人们的生活带来巨大的影响，危及到人民的生命财产安全和工程建筑物的破坏^[1]。

自古以来，许多大地震造成了触目惊心的不利影响。1556年，我国陕西华县发生了8.0级地震，无数的人由此家破人亡，并创造了地震史上死亡人数高达83万之多的世界性记录。1960年5月发生的南美智利大地震，是世界观测史上记录到规模最大的地震，其矩震级达到9.5级，震源有35公里。2011年3月，发生在西太平洋国际海域的里氏9.0级地震造成了日本福岛核电站出现核泄漏，周围的土地、空气等环境都受到了重大污染，造成了重大的人员伤亡和财产损失，被视为迄今为止损失最大的地震。

我国地处世界两大活跃地震带的中间，地震活动十分频繁，具有分布广、强度大、频次高等特点^[1]。随着现代化城市化进程的加快和国民经济的迅速发展，交通线在人们生产生活的所扮演角色越来越重要。一旦交通线遭到地震破坏，其直接影响或者间接影响造成的生命财产损失也将会越来越巨大^[2]。

因此，为了降低损失和保障人民的生活，对结构进行抗震设计对于研究桥梁抗震问题具有重大意义。

1.2 铁路桥梁震害分析

地震是人类面临的最严重自然灾害之一，给社会带来巨大人员伤亡和经济

损失。桥梁是生命线工程的重要组成部分，是为道路跨越各种障碍而建造的建筑物^[3]。地震不但会造成巨额的经济损失，一旦交通中断，不能够及时进行抗震救灾亦或是延误了灾后各项修复工作，造成的次生灾害、间接经济损失也非常巨大。

1.2.1 铁路桥梁的主要震害形式

根据国内外相关震害的数据记录，桥梁的主要震害形式^[4-6]列出如下。

1）桥台震害。主要表现在桥台与路基一同向河心滑移，造成桩柱倾斜、折断和开裂；桥台的滑移与倾斜还会挤压主梁，甚至造成主梁坍毁。

2）桥墩震害。主要是桥墩沉降、倾斜、移位，墩身开裂、剪断，受压缘混凝土崩溃，钢筋裸露屈曲，桥墩与基础连接处开裂、折断等。

3）支座震害。构造措施不足或一些支座形式、材料上的缺陷等因素，造成较大的支座位移和变形，从而造成破坏。

4）梁的震害。主梁坠落；落梁破坏。

5）地基与基础震害。地基破坏的原因有砂土液化、地基失效、基础沉降、不均匀沉降破坏或上承载力和稳定性不够等，造成地面变形过大，地层发生水平滑移、下沉、断裂。基础与地基的关系息息相关，可以表现移位、倾斜、下沉、折断和屈曲失稳。

1.2.2 铁路桥梁震害的启示

作为生命线工程，铁路桥梁在灾后紧急救援和重建中发挥着至关重要的作用。因此，结构设计人员必须通过结合各种经验，研究出更为有效的桥梁减隔震措施^[7-9]。当下的学者们得出了一些启示：

不断完善抗震设防理念；
传统的抗震设防理念中规定可能出现的最不利地震力必须小于结构抗力，因而分析考虑材料的延性，可以提高资源利用率；
以抗震设防要求为前提条件，尽量选用合适的结构体系；
可借助于相关减隔震措施进行结构抗震设计；
定期维护，及时修补。

1.3 桥梁减隔震技术

传统的抗震设计方法侧重于提高结构本身抵抗地震作用，表现在结构本身强度的增大和它的塑性。一般来说，选择塑料铰的合适位置和构件详细结构的详细设计，这种方法也能在一定程度上保证结构的安全。然而，这往往代表着更多的投入成本。

因此，近几十年来，各国学者和机构都在改变自己的思维，提出了一些新的抗震方法。如隔震技术、被动控制技术、主动控制技术和混合控制技术等。

隔震技术颠覆了传统的抗震设计方法。它能够提高其抗震性能并不是使结构本身更加能抵抗地震作用，而是通过隔离装置隔离地震引起的地面作用并降低对响其上部结构的影响。即通过采用隔离装置做到减小结构地震的动态响应。

这样一来，同一结构只需改变隔震装置即可达到相应的地震作用。没有必要增加结构本身的尺寸。随着减隔震技术的不断发展和应用，结构的抗震性能在提高，工程造价在降低。这便是结构抗震设计方法的未来发展方向^[5]。

1.3.1 桥梁隔震的概念和原理

近年来，抗震设防日益引起关注，抗震技术不断发展。国内外众多学者在结构隔震技术方面的研究不断深入，隔震技术应用广泛^[10]。

顾名思义，“隔震”就是隔离地震，即在桥梁上部结构和基础之间设立隔震层，以最小化传递到上层建筑的地震力和能量，从而减小上部结构的动力响应。当结构的自振周期十分接近地震卓越周期时，动位移非常大，即发生共振。

实现地震隔离有两种主要方法。一是通过柔性支撑延长结构的基本周期，避开地震能量集中的范围，减小结构的地震力，但为了减小地震力，结构周期会延长，会造成结构位移的增加，给设计工作人员带来困难。二是在结构中引入阻尼装置，使其能够控制由周期的延伸引起的变形，控制变形，从而减小结构位移，同时减小结构的动态加速度，例如控制位移在设计允许范围内，从而改善结构本身。

基于共振现象，隔震支座可用来延长自振周期和增加它的结构阻尼^[11]。相关原理可以在图1-1中解释。

图1-1 隔震原理：加速度谱和位移反应谱

图1-1显示了桥梁结构的加速度谱和位移反应谱。由上可知，结构周期延长，加速度大大降低，受力便相应减小，它的动态位移也会相应增大。当结构阻尼增加，隔离条件下的结构加速度和位移将大大减小。为了减小结构的加速度和位移同时减小输入的地震能量，应基于结构固有振动周期的延长，增加结构的阻尼。桥梁隔震支座可以有效地减小桥梁结构的地震力和位移，主要是由于其阻尼较大，侧向刚度较小。然而，桥梁的固有柔度也会增加不利的位移。通常，为了控制结构位移，可以使用附加阻尼系统来解决这个问题^[12]。

1.3.2 国外桥梁隔震技术的发展

工程抗震隔震技术是在结构抗震的基础上发展起来的记录在十九世纪底到二十世纪初。1881年，日本学者河合浩藏首次提出了基础隔离的概念。随后，德国，美国和新西兰等国开始进行大规模研究并制定了相关规定。然后，桥梁的隔震技术也得到了迅速发展^[13-15]。

橡胶支座的出现标志着隔震技术跨越的平台。首次应用于建筑结构。随着科学技术的进步，越来越多的隔震装置得到了发展，许多国家的桥梁性能已经从隔震技术得到改善。

1973，新西兰建立了第一座隔离桥，Moto桥，采用滑动轴承隔绝上部结构，U型钢弯梁提供阻尼。Sexton桥建于1984年，成为了美国第一座采用隔震系统技术的桥梁。北美第一座进行隔震加固的高架桥（Mayes.1992）是西拉波因特高架桥，始建于1956年。日本第一座隔离桥于1990竣工，位于静岗县横跨Keta河的宫川大桥。1974年便将隔震技术运用到传统桥梁的意大利，目前安装了隔震保护系统的桥梁多达260多座桥梁，当下基本所有新建桥梁都设有保护系统。

此外，近几年来，隔离和能耗的研究已在各国得到广泛开展。推广使用铅芯橡胶支座，并制定了相关法规。例如，新西兰于1983颁布了桥梁铅芯橡胶支座的设计规则。

1.3.3 国内桥梁隔震技术的发展

自1965以来，我国开始对桥梁橡胶支座进行研究，并将其应用到桥梁工程中。此后，一直对桥梁隔震支座进行了研究。中国公路桥梁采用的支座为板式橡胶支座、盆式橡胶支座和球式支座。

中国第一座采用铅芯橡胶减震支座的公路桥梁是石津渠中桥，标准跨度16m，共有3个孔，总长度53m，梁的抗震抗裂强度为7度。铅橡胶支座首次应用于新疆南新疆铁路补谷子铁路大桥。桥（9个洞，每32米）在2000开放。并在2003年2月发生的6.2级新疆伽师地震（距桥址50公里）中保持完好无损。

关于桥梁隔震理论，越来越多的国内研究已经投入。较早开始的是范立初院士和他在同济大学的学生。1988年，该研究小组提出了弯曲钢带能量吸收器和滑动轴承。结合使用隔震系统。20世纪70年代以来，铁道部科学研究院对新型桥梁支座进行了系统研究。铁道科学研究院的庄俊生参与了各类桥梁支座的研究和推广工作。近年来，铁科院的学者们还研究了铅芯橡胶支座的动力特性及其在铁路桥梁中的减隔震效果。

总体而言，中国铁路桥梁建设发展迅速，隔震桥梁的实例不断增多，但对隔震装置的研究仍需进一步深化。

1.4 课题研究意义

桥梁是基础工程的关键部分。它在地震后的应急救援，抗震救灾和灾后重建中起着非常重要的作用。当下，人们越来越认识到了抗震设计的重要性，桥梁隔震与隔震技术也在不断发展。

据了解，自20世纪60年代以来，隔震、耗能减震技术受到的关注日益广泛，广泛应用在建筑结构和桥梁结构。大量的隔震建筑理论研究和抗震经验表明，隔震与耗能减震技术是迄今为止性能最为稳定和有效的控制技术之一。

采用隔震技术可以提高桥梁的抗震性能，从而确保桥梁整体结构在严重的地质灾害中保持稳定。因此，桥梁抗震性能的分析不仅是桥梁设计规范的要求，也是现代桥梁设计的趋势。

本课题通过对新型隔震支座的研究，分析其减隔震性能，力求能够为今后的减隔震支座的研究和应用提供一定的参考。

第2章分析方法—动力时程分析法

2.1 概述

最初的结构分析是静力分析，原理简单，过程简便，极快受到了推广。然而，随着而来的另外一个问题是过于简化带来的局限性。以反应谱法为例，反应谱将结构的动荷载等效为侧向荷载，再计算静力荷载下它的内力与变形^[16]。反应谱法的一个假设便是材料属于线弹性范围内，但是事实上结构并不可能永远处于弹性范围内。一旦结构进入塑性状态，传统的静力分析方法很难适用。

发展动力学随着成为需要。时程分析法是一种动力分析方法，还称之为直接动力法，可分为弹性和弹塑性时程分析。它通过动力分析结构特性，根据结构运动状态列出动力方程，可计算出结构在各个时刻的地震响应。

2.2 动力方程的建立

^[17]：