高墩大跨铁路桥梁抗震设计和减震控制的研究

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1、摘要高墩大跨铁路桥梁在我国山区铁路有着广泛的应用，但位于地震区的这类桥梁的抗震设计问题尚未得到有效地解决，工程设计单位对该问题的解决有着强烈的技术需求。为此，本文开展了典型铁路高桥墩的比例模型拟静力试验、高墩大跨铁路桥梁抗震设计实用方法和减震控制等方面的研究，主要完成了下列工作：1．对典型铁路高桥墩一低配筋率空心墩，进行了比例模型的拟静力试验研究。重点探讨了纵筋配筋率、横向钢筋的布置及壁厚等参数的变化对空心墩强度和延性的影响。通过对桥墩恢复力特性的试验研究，提出了一个适合此类桥墩的单轴恢复力模型，该模型的骨架曲线为双线性，滞回规则同考虑刚度退化的Clough模型，并建议刚度退化指数

2、取位移塑性率的倒数。2．提出了这类桥梁的抗震设计实用方法，设计内容主要包括方案设计阶段的抗震概念设计、小震下的强度验算、大震下的变形验算及必要时的减震控制措施四方面。并选择目前国内跨度最大、墩高最高的铁路混凝土梁式桥一内昆铁路花土坡特大桥为例，阐述了本文提出的实用设计方法面向工程的具体实施。3．针对各抗震验算环节，本文采用的分析方法有：(1)多振型反应谱法和线性时程分析法，用于求解在小震下结构的地震需求；(2)Pushover分析，用于求解大震下高桥墩的变形能力，为反映高桥墩在地震下的实际内力分布，本文利用基于对全桥分析的多振型反应谱法所求得的墩身实际剪力分布，来生成高桥墩的侧向力

3、分布模式：(3)非线性时程分析法，用于求解在大震下结构的整体地震需求，本文利用基于试验提出的单轴恢复力模型，形成能考虑双轴弯曲耦合效应的基于随动强化规则的塑性双轴恢复力模型，并基于该模型编制了非线性时程分析程序。4．在理论和试验分析的基础上，对高桥墩的抗震构造提出了一些建议，主要包括：(1)建议纵筋最小配筋率取0．5％；(2)推导出抑制纵筋发生“扩展”屈曲所需的横向联系钢筋的数量的计算公式；(3)建议空心墩的壁厚与截面短边尺寸之比不宣小于0．15。5．研究了MTMD用于高墩大跨桥梁减震的被动控制理论。制定MTMD的参数优化准则为；极小化系统中结构受控模态的频率响应峰值。依据该准则，

4、对MTMD的参数进行优化分析。选用大量的地震波，统计分析了基于最优参数的MTMD对不同周期的结构的减震控制效果。并具体讨论了MTMD用于花土坡铁路特大桥地震响应被动控制的实施办法。6．研究了磁流变阻尼器用于高墩大跨桥梁减震的半主动控制理论。阻尼器安装在桥梁的各活动支座处，制定控制目标为：同时极小化各活动支座和各桥墩墩项的位移响应。提出了面向工程应用的磁流变阻尼器的参数调整方法。半主动控制算法采用限幅最优控制算法，即通过调节阻尼器的控制电流信号，让阻尼器的阻尼力尽可能地效仿主动最优控制力。并具体讨论了磁流变阻尼器用于花土坡铁路特大桥地震响应半主动控制的实施办法。【关键词】高桥墩，空心

5、截面，抗震设计，结构控制，MTMD，磁流变阻尼器，桥梁铁路桥粱ABSTRACTHigh．pier—and．10ng-spanrailwaybridgeshavebeenextensivelyconstructedInthewesternmountainousareasinChina．butitsseismicproblemstillremainsunsolvedsofar，andthedesignershavegreattechnicaldemandsonsolvingtheseismicproblemofthiskindofbridges．Tomeetthesetechnical

6、demandsandconsideftheseismicbehaviorofh{gh-pier—and—long-spanbridges，thisdissertationinvestigatesseismicperformanceoftypicaltallrailwaypiersviaquasi-statictests，thepracticaldesignmethodandseismiccontrolofhigh-pier—and—long—spanrailwaybridges．Thestudiesreposedinthisdissertationaresummarizedasfo

7、llows：1．Quasi．statictestsareconductedonfivescaledspecimensforthetypicaltallrailwaypierswit}1lowlomdtudinalreinforcementratioandhollowcrosssection．Theeffectofvariousparametersonthes仃en酿handductilityofhollowspecimensaremainlydiscussed，suc