铁路减隔震桥梁地震反应分析及易损性研究

摘要

近年来，我国高速铁路和客运专线建设迅速发展，一些新型的减隔震支座已逐渐应用在铁路高墩简支梁桥中。但目前采用新型减隔震支座的类似铁路桥梁还未得到强震充分检验，理论研究也不充分。本文结合我国在建的铁路客运专线上两座采用不同减隔震支座的32m简支梁桥为背景，对铁路减隔震桥梁的抗震设计理论、抗震性能以及地震易损性进行了系统的研究。论文的主要工作和取得的成果有:
　　1、采用ABAQUS建立了E型钢阻尼支座阻尼元件的非线性实体模型，详细分析了E型钢阻尼器的屈服强度对其耗能特性的影响，在此基础上给出了该支座简化的三直线力学模型;采用纤维模型计算了钢轨横桥向变形的M-(φ)曲线，并提出了钢轨的双直线简化力学模型;针对铁路减隔震桥梁地震反应的特点，建立了考虑轨道约束的线桥一体化非线性有限元计算模型，探讨了轨道约束对结构动力特性的影响，并讨论了合理的非线性有限元计算模型;
　　2、以高速铁路客运专线上两座采用不同减隔震装置的高墩简支桥梁为对象，通过数值模拟研究了轨道约束对铁路减隔震桥梁地震反应的影响，并进一步分析了道床阻力系数等参数对结构地震反应的影响规律;研究了地震作用下轨道横向弯曲与残余变形的特征，为铁路减隔震桥梁抗震设计时是否考虑轨道约束作用提供参考;
　　3、以我国高速铁路客运专线上采用E型钢阻尼支座的高墩简支梁桥为对象，通过改变桥墩高度建立了40个不同动力性能的桥梁计算模型，并从PEER强震数据库中选取相似场地的20条历史地震动进行地震时程反应分析，探讨了结构动力特性的铁路减隔震简支梁桥地震反应规律，以及轨道约束对不同结构形式的桥梁地震反应的影响;
　　4、结合近场地震作用的特点，采用三角函数模拟近场地震动的速度脉冲，并以此为地震动输入，研究了近场地震和不同脉冲参数对采用E型钢阻尼支座的铁路隔震简支梁桥的地震反应及减震效果的影响。用改进的碰撞分析模型模拟了摩擦摆式支座的限位装置在近场地震动作用下支座内壁的碰撞响应，讨论支座内壁碰撞效应对结构地震反应的影响，并提出支座内设置缓冲装置的方案来减小地震碰撞效应。
　　5、以高速铁路客运专线上采用E型钢阻尼支座的高墩简支梁桥为对象，建立了考虑轨道约束的线桥一体化计算模型，根据桥梁场地类型从PEER强震数据库中选取100条类似场地地震动来模拟地震的不确定性，对结构进行非线性时程反应分析。通过定义各构件的极限破坏状态，采用传统可靠度概率的方法形成了减隔震支座以及桥墩顺桥向和横桥向的易损性曲线，在此基础上，对比分析各构件地震易损性并从地震易损性分析的角度评估铁路减隔震桥梁的抗震性能。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 铁路桥梁震害分析

1．3 铁路桥梁抗震研究现状

1．3．1 铁路桥粱减隔震技术的研究与应用

1．3．2 轨道约束对铁路桥梁地震反应的影响

1．3．3 结构特性对铁路桥梁地震反应的影响

1．3．4 地震动特性对铁路桥梁地震反应的影响

1．3．5 近场地震作用下铁路桥梁地震反应研究

1．3．6 地震作用下铁路减隔震桥梁易损性分析

1．4 现有研究存在的不足

1．5 本文的主要研究工作

2 考虑轨道约束影响的减隔震桥粱线桥一体化计算模型

2．1 引言

2．2 E型钢阻尼支座的力学模型

2．2．1 E型铜阻尼支座的结构形式以及耗能原理

2．2．2 E型钢阻尼元件的力学模型

2．2．3 活动盆式橡胶支座的力学模型

2．2．4 E型钢阻尼支座的力学模型

2．3 摩擦摆式支座力学模型

2．3．1 摩擦摆式支座结构形式及耗能原理

2．3．2 摩擦摆武支座力学模型

2．4 扣件弹簧单元力学模型

2．4．1 道床纵向阻力计算模型

2．4．2 道床横向阻力力学模型

2．5 钢轨非线性力学模型

2．5．1 材料的应力-应变关系

2．5．2 钢轨弯矩-曲率滞回模型

2．6 结构概况和设计参数

2．7 非线性线桥一体化计算模型

2．8 轨道约束对铁路减隔震桥梁动力特性的影响

2．8．1 轨道约束对结构动力特性的影响

2．8．2 轨道计算长度对结构动力特性的影响

2．8．3 道床阻力系数对结构动力特性的影响

2．9 本章小结

3 轨道约束对铁路减隔震桥梁地震反应的影响

3．1 引言

3．2 地震动输入

3．3 轨道约束对结构纵桥向地震反应的影响

3．3．1 轨道约束对主梁位移及减隔震支座滞回耗能的影响

3．3．2 设计地震作用下轨道约束的影响

3．3．3 罕遇地震作用下轨道约束的影响

3．4 道床阻力系数对结构纵桥向地震反应的影响

3．4．1 道床阻力系数对主梁位移地震反应的影响

3．4．2 道床阻力系数对支座位移地震反应的影响

3．4．3 道床阻力系数对支座耗能的影响

3．4．4 道床阻力系数对墩底剪力地震反应的影响

3．4．5 道床阻力系数对梁轨相对位移的影响

3．5 轨道对结构横桥向地震反应的影响

3．6 震后钢轨横向变形计算结果

3．7 本章小结

4 结构特性对铁路减隔震桥梁地震反应的影响

4．1 引言

4．2 计算参数

4．2．1 桥梁结构形式

4．2．2 计算工况划分

4．3 输入地震动

4．3．1 设计地震动拟合方法

4．3．2 历史地震记录参数以及调整效果检验

4．4 等高桥粱地震反应计算结果分析

4．4．1 考虑轨道约束影响的计算结果

4．4．2 不考虑轨道约束影响的计算结果

4．4．3 轨道约束对规则桥粱地震反应的影响

4．5 不等高桥粱地震反应计算结果分析

4．5．1 考虑轨道约束影响的计算结果

4．5．2 不考虑轨道约束影响的计算结果

4．5．3 轨道约束对不等高桥粱地震反应的影响

4．6 本章小结

5 近场地震作用下铁路减隔震桥梁地震反应研究

5．1 引言

5．2 近场地震动特性及人工地震动模拟

5．2．1 近场地震动特性

5．2．2 等效脉冲波形的确定

5．2．3 等效速度脉冲Tp及Vp的选取

5．2．4 等效速度脉冲叠加位置

5．2．5 近场脉冲型地震动的模拟过程

5．2．6 地震动基线修正

5．3 地震动输入

5．4 地震反应结果分析

5．4．1 近场地震作用对桥梁减震效果的影响

5．4．2 速度脉冲叠加方式的影响

5．4．3 速度脉冲波形的影响

5．4．4 速度脉冲作用时间Tp的影响

5．4．5 地震动参数与地震破坏力的关系

5．5 限位装置对桥梁近场地震反应的影响

5．6 本章小结

6 地震作用下铁路减隔震桥梁易损性分析

6．1 引言

6．2 易损性分析方法

6．3 非线性计算模型

6．4 地震莉输入

6．5 结构损伤指标的确定

6．5．1 支座损伤指标

6．5．2 桥墩损伤指标

6．6 结构能力和需求概率分析

6．6．1 结构概率地震需求分析理论

6．6．2 支座概率地震需求模型

6．6．3 桥墩概率地震需求模型

6．7 结构地震易损性分析

6．7．1 支座纵桥向地震易损性分析

6．7．2 支座横桥向地震易损性分析

6．7．3 支座纵、横向地震易损性对比分析

6．7．4 桥墩纵桥向地震易损性分析

6．7．5 桥墩横轿向地震易损性分析

6．7．6 桥墩纵、横向地震易损性对比分析

6．8 本章小结

7 结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 本文主要创新点

7．3 进一步研究的展望

参考文献

作者简历