【摘 要】
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由于受力合理、造型优美、跨越能力突出等优点,斜拉桥已经成为我国公路和城市交通路线上的重要桥型之一。当在平原或缓丘地带建造斜拉桥时,由于受到竖曲线的影响,两侧边墩(包括辅助墩和过渡墩)的高度往往非常低矮,很多高度都不足10m。这种低矮的边墩一般具有较大的横向刚度,当其上设置横向固定支座后,低矮边墩对斜拉桥主梁具有非常强的横向约束作用,在地震作用下就会分配得到非常大的主梁惯性力,造成边墩及其支座和基础
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由于受力合理、造型优美、跨越能力突出等优点,斜拉桥已经成为我国公路和城市交通路线上的重要桥型之一。当在平原或缓丘地带建造斜拉桥时,由于受到竖曲线的影响,两侧边墩(包括辅助墩和过渡墩)的高度往往非常低矮,很多高度都不足10m。这种低矮的边墩一般具有较大的横向刚度,当其上设置横向固定支座后,低矮边墩对斜拉桥主梁具有非常强的横向约束作用,在地震作用下就会分配得到非常大的主梁惯性力,造成边墩及其支座和基础抗震设计困难。为了解决具有低矮边墩斜拉桥的横向抗震问题,本文首先基于地震易损性分析法针对过渡墩、辅助墩、索塔、拉索、支座系统所有关键构件的抗震性能展开全面评估,得到各关键构件在设计地震作用下的损伤超越概率,同时基于一阶界限估计法、二阶界限估计法得到桥梁结构体系的易损性曲线;然后,为解决低矮边墩斜拉桥的损伤问题,采用优化墩柱截面形式与设置防屈曲支撑(BRB)元件两种构造手段,共构建8种抗震措施,并基于能力需求比法对各措施的减震效果进行验证与对比;最后,针对先前抗震措施的不足,构建新型BRB边墩构造+新型准隔震理念共8种新型抗震措施,通过对比验证确定了效果最佳的抗震措施。主要研究工作与结论如下:(1)基于易损性分析方法得到了全桥各关键构件在设计地震作用下的损伤超越概率,通过对比可知,过渡墩、辅助墩、索塔、拉索中过渡墩发生三种损伤的概率最高,最高可达26.40%(E1地震)、38.70%(E2地震);支座系统中过渡墩的单向支座发生中等损伤的概率最高,最高可达34.40%(E1地震)、50.00%(E2地震)。过渡墩以及其支座是本桥的抗震薄弱环节。(2)基于一阶界限估计法、二阶界限估计法得到了低矮边墩斜拉桥结构体系的易损性曲线,通过对比分析可知,对于体系损伤的描述,二阶界限法较一阶界限法更为精确,其中E1设计地震作用下体系损伤概率位于36.20~72.60%之间;E2地震下位于52.50~85.20%之间,但结构体系发生严重损伤的概率不超过40.00%。(3)通过对比验证构建的两类抗震措施,第一类措施中措施I-2减震效果最佳,过渡墩减震效果最明显,减震幅度可达84.85%;第二类抗震措施减震效果优于第一类措施措施,其中措施II-6减震效果最佳,边墩减震效果最突出,削减幅度最高可达94.30%。(4)优化墩柱截面形式可有效改善低矮边墩斜拉桥侧向刚度较大的问题,而设置BRB元件则通过自身屈曲变形耗散了一定的地震能量,两种构造方法均值得推荐,但是仍没能完全解决支座系统发生屈服的问题。(5)通过对比验证构建的两类新型抗震措施,新型准隔震理念对于索塔、拉索抗震性能影响较小,对于支座系统减震效果最为明显,减震幅度最高可达78.33%。相对于先前措施,第一类新型措施各关键构件抗震性能均有一定幅度的提升,而第二类新型措施均出现一定幅度的下降,其中过渡墩下降幅度最明显,幅度最高可达54.32%。相对于原桥,措施II-6减震效果最佳,为本文推荐的抗震措施。(6)新型准隔震设计有效得解决了原桥支座系统出现损伤的问题,大幅度提升了支座的抗震性能,提高幅度最高可达7倍以上。BRB耗能元件、X形软钢阻尼器、减隔震钢支座三者在削减彼此减震效果的同时,使得桥梁结构处于一种安全的平衡状态。新型准隔震理念以及三种减隔震装置的应用对于改善桥梁抗震性能具有极大的前景与价值。
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