地震作用下墩顶合理支承宽度研究

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桥梁的落梁震害在破坏性地震中较为常见,导致其落梁的主要原因在于桥梁墩顶宽度的不足。目前我国《公路桥梁抗震设计细则》针对墩顶支承宽度的规定是引用日本新桥梁抗震设计规范的取值,可以看出我国还缺乏对支承宽度深入的研究。但值得注意的是:该规定所给桥梁支承宽度的计算公式只与桥梁跨径这一参数有关,忽略了桥梁整体的动力特性。本文着重研究相邻两跨振动圆频率比与支承宽度的关系,得出一个全新的支承宽度公式。另外,考虑到桥梁支座作为桥梁抗震中重要的耗能减震的构件,研究其参数与墩顶支承宽度之间的相互关系。综合上述分析,得到以下研究成果:(1)合理支承宽度理论研究1.提出用于计算墩顶支承宽度的桥梁计算模型,建立计算所需质量矩阵,刚度矩阵。并以此计算模型得到动力方程。对反应方程式进行傅里叶变换,将两跨梁体的位移反应式由时域范围转换到频域范围,得到在频域范围内的支承宽度表达式。根据随机振动理论,提出由功率谱密度函数和互相关函数组成的空间地震动模型。结合频域范围内的支承宽度表达式,得到支承宽度的功率谱密度函数。以此求解一致激励下支承宽度峰值反应。2.运用数据处理软件Matlb,对支承宽度峰值反应式进行数值积分,得到不同μ值(两跨振动圆频率比)下支承宽度值。运用最小二乘原理拟合曲线,得到支承宽度的公式。3.对数值结果进行分析讨论,建议在实际工程中,桥址应尽量选择在坚硬场地,所建两邻跨桥梁振动圆频率比要达到2以上以及增加桥梁结构阻尼比。(2)合理支承宽度有限元分析为了论证所提公式的适用性,建立了两种类型的桥梁有限元模型进行讨论,即规则桥梁和非规则桥梁(按墩高是否超过30m进行划分)。对有限元模型进行线性动力时程分析,从计算所得结果可以得到:1.在五条地震波激励下,可以发现:随着设计加速度的增加,墩顶所需支承宽度随之递增。2.当仅改变模型墩高时,所需支承宽度并不随墩高的增加而随之加大。3.在地震波激励下,随着设计加速度的增加,支承宽度值已经超越《公路桥梁抗震设计细则》规定所对应的值。而运用本文所提公式得到的支承宽度能满足所需支承宽度。(3)支座性能对支承宽度的影响研究支座的阻尼系数和剪切刚度对支座的抗震性能起到控制性的作用,因此对支座这两种参数展开分析得到:1.随着支座阻尼系数的增加,所需支承宽度会越来越小。但支承宽度下降的趋势趋于平缓。2.同样,随着支座剪切刚度的增加,所需支承宽度也随之递减。
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