利用主梁质量和支座性能的连续梁桥调谐减震设计方法

摘要

地震是一种无法准确预测和避免的自然灾害，在地震中，结构物的损坏和倒塌会带来巨大的损失。桥梁是交通网络的咽喉工程，桥梁的抗震能力对交通网络的震后通行能力有重要影响。连续梁桥是比较常见的梁式桥，因为其受力均匀合理，造型简洁美观等优点，得到广泛的应用。提高连续梁桥的抗震性能对于提高路网震后通行能力具有重要意义。然而，在桥梁减隔震设计中，支座设计参数的选取较多的依赖设计人员经验或多次反复试算，缺乏明确的理论依据，不能充分发挥减隔震的效能。提出一种科学、简便的减隔震支座参数设计方法，对于提高连续梁桥减隔震的设计效率及减隔震技术的推广十分重要。 本文针对连续梁桥的结构形式，提出了利用主梁质量和支座性能的调谐减震设计方法。在该方法中，将墩柱视为主体结构，主梁视为附加质量，通过合理的调谐减震支座参数设计，使主梁和支座形成完整的可调谐动力系统，由此可根据质量调谐减振理论对连续梁桥的抗震性能进行优化，提高桥梁减震效率。 本文采用理论分析以及数值模拟等方法，对连续梁桥质量调谐减震设计方法进行探究。首先，针对连续梁桥多墩共用调谐质量的特点，基于规则桥梁的动力特性，对规则连续梁桥的模型进行简化，得到规则连续梁桥的单墩力学模型。其次，本着由简到繁的思想，分别对不考虑桥墩阻尼采用简谐荷载进行外部激励、考虑桥墩阻尼采用简谐荷载进行外部激励和考虑桥墩阻尼随机荷载进行外部激励的三种情况，进行调谐减震优化研究，皆以墩底最大弯矩最小化为优化目标，得到最优频率比和最优阻尼比的计算公式及支座参数的计算方法。然后，采用上述调谐方法，求出各组算例的相应支座参数，通过有限元软件计算各组算例的最大墩底弯矩；结果表明 3 种优化方法均有较好的减震效果；计算分析还表明下部结构阻尼对调谐减震的效果影响不大；简谐激励与随机激励相对比，随机激励对地震波的频率更为敏感。对于非规则连续梁桥，基于调谐减震的基本原理，提出了上部结构质量分配的方法，将规则桥梁的调谐减震方法拓展至非规则桥梁。算例表明，该方法有效减小了高墩弯矩，使墩群弯矩较为均衡，实现了墩群协同受力、体系抗震的目标。

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