近场竖向地震作用下桥梁多次碰撞响应和特性研究

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1、万方数据博士学位论文近场竖向地震作用下桥梁多次碰撞响应和特性研究作者：杨海波指导教师：尹晓春教授南京理工大学2014年9月万方数据Ph．D．DissertationResearchonmultiplepoundingresponsesandcharacteristicsofbridgesundernear-f．aultVerticalgroundmotionsBy砀咒g胁砀DS印eWiSedby啊，跏砌D幽跖忍Na巧ingUniVers时ofScience&TeclⅡlologySeptember’2014万方数据

2、声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：扬涵选矽陴年fJ月护日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关

3、规定和程序处理。研究生签名：—季单矽诈年吖月，口日万方数据博士学位论文近场竖向地震作用下桥梁多次碰撞响应和特性研究摘要随着地震监测网的加密和监测手段的更新，越来越多的近场地震的监测数据表明，竖向地震加速度幅值往往超出了预期值。近年来坂神、集．集和汶川等近场地震造成的严重桥梁震害不能全部用传统的水平地震震因解释，如环形裂缝，支座断裂和桥墩局部破坏等，而用竖向地震震因解释被认为更合理。高幅值的竖向地震动被认为可以抛起主梁，分离桥梁与支座，导致桥梁再次落下时与支座产生重碰撞(pounding)。由此产生的桥梁动力学响应涉

4、及变接触约束拓扑构形、桥梁结构内部的碰撞波动效应、局部结构破坏和非线性动力效应等复杂力学问题，理论和数值研究困难大。由于直接到现场实地观察几无可能，目前有关竖向地震引发桥梁震害的解释，仅是根据震后桥梁损坏状态所作的字面上的判断和猜测，没有理论依据和数值计算依据，存在相当的争议，并且也有一些其它不同的解释。缺乏必要的可靠理论方法的分析结果，甚至尚缺乏桥梁竖向地震响应的基础性研究。与桥梁的水平地震响应相比，竖向地震响应的研究缺乏，缺乏对桥梁竖向地震的基本认识，甚至缺乏基本的理论研究方法。本文运用瞬态波特征函数展开法，建

5、立了带橡胶支座桥梁在近场竖向地震作用下碰撞响应分析的理论方法，研究了桥梁竖向碰撞响应的若干基本特征。本文的主要研究工作包括：(1)针对近场竖向地震动引起的桥梁多次碰撞响应问题，建立了“梁一弹簧一杆”连续体模型，采用瞬态波特征函数展开法，考虑主梁与支座碰撞接触与分离状态的切换，以及碰撞波在桥梁内的传播效应，建立了既可以分析桥梁碰撞瞬态响应，又可以完成全地震周期内桥梁地震响应分析的理论研究方法。(2)针对人工简谐竖向地震动作用，研究了带橡胶支座双跨连续梁桥的地震响应。运用瞬态波特征函数展开法，推导了桥梁多次碰撞响应的理

6、论解。数值研究了理论解对计算时间步长和波模态截断数的收敛性，计算了地震波和碰撞激发瞬态波在桥梁结构内的传播，观察了多次碰撞现象，研究了竖向地震激励周期和幅值的影响，探讨了碰撞响应与竖向地震激励的关系，以及碰撞响应对桥梁结构安全的影响。发现的桥梁若干异常损坏形式与桥梁竖向地震下的碰撞响应存在密切的联系。(3)针对人工简谐竖向地震动作用，通过改变地震激励周期、桥梁结构固有周期和地震激励幅值，大量计算了竖向碰撞次数和最大碰撞力，详细研究了竖向地震激励周期、竖向地震激励幅值和桥梁结构固有周期对竖向碰撞的影响。研究发现随着竖

7、向地震激励周期的变化，桥梁间断出现了3个竖向碰撞区，3个竖向碰撞区分别处在桥梁的前3阶竖向固有振动周期附近，碰撞区的出现与竖向地震激励幅值万方数据摘要博士学位论文有关。另外，近场竖向地震激励，容易引发处在桥梁的第2阶和第3阶竖向固有振动周期附近的竖向碰撞，与远场地震响应明显不同。(4)对比分析了“梁一弹簧一杆”连续体模型和“梁一杆”连续体模型，研究表明“梁一弹簧一杆”连续体模型更为合理。系统研究了桥梁结构和材料参数桥梁竖向地震下的碰撞特性和响应的影响，研究表明桥梁支座刚度、主梁跨度和抗弯刚度的影响明显，桥墩高度和桥

8、墩弹性模量的影响不大，但是，在高墩桥下出现了第4个碰撞区。因此，合理设计的桥梁结构有可能降低竖向地震下桥梁碰撞的烈度和出现频次，提高桥梁抵抗竖向地震的能力。(5)对实际近场竖向地震动记录的离散数据进行快速傅里叶变换(FFT)分析，将其展开成各频率成份简谐波的叠加，考虑桥梁支座的作用，采用瞬态波特征函数法，推导了实际近场竖向地震动作用下带支座桥梁结构多次碰撞响