地震作用下公路简支斜交梁桥碰撞效应研究

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在地震作用下,斜交梁桥由于上部结构发生碰撞致使其上部结构纵桥向及横桥向位移过大,引发桥梁的破坏甚至落梁。现有关于斜交梁桥抗震性能的研究中,主要以数值分析、理论分析为主,对斜交梁桥的试验研究也主要集中在静力方面或者无碰撞反应。因此,对斜交梁桥碰撞开展地震模拟振动台试验具有重大的必要性。通过对斜交梁桥开展振动台碰撞试验,真实再现斜交梁桥在地震作用下的碰撞过程,利用振动台试验与有限元软件模拟的结果对比分析,为有限元软件中模拟碰撞的准确性提供参考。本文在对结构设计参数进行统计分析的前提下,选取斜度为45°的单跨简支斜交结构作为研究对象,开展了单跨公路简支斜交梁桥碰撞反应的振动台试验及碰撞模拟的数值分析研究。论文主要的工作和研究结论如下:(1)设计制作了振动台试验模型,通过对缩尺模型的振动台试验研究,分析了地震峰值加速度对单跨简支斜交梁桥地震响应的影响以及对比分析有无碰撞下数值分析与试验结果,了解碰撞对结构上部的影响。随着输入地震动峰值的增加,桥面板的加速度与位移反应均随之增长,结构发生碰撞次数随之增加,碰撞面锐角处的加速度反应有明显增大。与无碰撞试验结果相比,碰撞在加大结构加速度及横向位移反应的同时能使纵向位移响应得到较大控制。(2)通过建立不同碰撞模拟方式的试验样本有限元模型,对比分析有碰撞下数值分析与试验结果,探讨斜交梁桥的碰撞模拟方式合理性,为有限元软件中模拟碰撞的准确性提供参考。通过试验数据与数值模拟的对比,在碰撞刚度为0.1~0.5倍的轴向主梁刚度下,数值模拟结果与试验值较为接近,综合考虑不同输入峰值作用下各模型的计算误差与变刚度下不同模型分析结果的稳定性,认为Hertz-damp模型的适应性较广,准确性较大,其碰撞刚度取值为0.5倍轴向主梁刚度时可以很好的符合实际要求。(3)考虑实际工程中存在不同材料间的碰撞现象,本文在上述研究的基础上,开展了钢-混凝土、橡胶-混凝土间碰撞效应的振动台试验研究与数值模拟研究。就不同材料结构的碰撞反应而言,相比线弹性模型与Kelvin模型,Hertz-damp模型模拟较好,但值得注意的是,针对钢-砼碰撞,碰撞刚度约为0.5倍主梁轴向刚度,而对于橡胶-砼间的碰撞,该参数建议取为0.1倍轴向刚度。另外,通过不同材质间碰撞反应的对比分析,综合得出,伸缩缝间隙中的填充材料采用柔性材料时(例如橡胶等)不仅可以减小碰撞力,而且不会增大远离碰撞面一侧的位移反应,可以有效地减小碰撞反应。
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