浅论地震作用下隔震高架桥梁的碰撞反应及控制

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1、天津大学博士学位论文地震作用下隔震高架桥梁的碰撞反应及控制姓名：岳福青申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：李忠献20070401摘要桥梁作为城市重要交通基础设施之一，其抗震防灾问题日益受到学术界和工程界的高度重视。强震作用下桥梁易发生碰撞，导致主梁梁端开裂、伸缩缝挤压、支座失效等破坏现象，甚至引发落梁等严重灾害。然而，目前国内外对强震作用下桥梁碰撞的机理、模拟方法以及预防措施等尚缺乏深入的研究。本文以城市高架桥梁为对象，对强震作用下隔震高架桥梁的碰撞反应进行系统的理论分析与振动台试验，从而为城市高架桥梁的地震碰撞危险性分析以及防

2、碰撞设计提供可靠的理论依据，具有重要的理论意义和工程价值。主要创新工作与成果有：(1)建立了桥梁碰撞分析的等效Kelvin碰撞模型及其参数确定方法。基于Hertz接触理论，考虑波动效应，推导7Kelvin碰撞模型的碰撞刚度和阻尼的解析表达式；仿真分析了Kelvin碰撞模型碰撞刚度和阻尼的变化规律，并确定了其在实际工程中的合理取值范围。结果表明，Kelvin碰撞模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度及邻梁长度比的增大而增大，，且波动效应对碰撞刚度的影响明显、不能忽略：Kelvin碰撞模型阻尼的恢复系数随撞击速度增大而减小，且随邻梁

3、长度比的增大而增大。(2)系统分析了强震作用下隔震高架桥梁的碰撞反应。’基于所提出的等效Kelvin碰撞模型，考虑桥墩非线性和土一基础相互作用。建立了隔震简支梁桥和隔震连续梁桥的非线性有限元模型；生成了拟合规范反应谱、且考虑地震动空间差动效应的人工地震波；仿真分析了强地震动的一致激励及仅考虑行波效应、仅考虑部分相干效应或同时考虑行波效应与部分相干效应的非一致激励下隔震梁桥的非线性碰撞反应。结果表明：地震动空间差动效应对隔震梁桥碰撞反应的影响大，且对连续梁桥的影响更大；考虑地震动空问差动效应，碰撞过程中接●t明显增大，且同时考虑行波效应

4、和部分相干效应时撞击力的增幅最大；随着视波速的增大，其影响逐渐减弱。．(3)建立了隔震梁桥地震碰撞临界间隙的计算方法。考虑隔震支座恢复力的非线性特性，建立了周期不等的邻梁(联)碰撞分析的2个双自由度简化系统；基于随机振动理论，建立了系统的非线性运动方程及等效线性化方程，推导了砬撞艋界间隙鲍计算表达式：仿真分析了隔震粱桥考虑地震动空问差动效应和土一基础相互作用的碰撞临界间隙。结果表明：碰撞临界间隙随邻梁(联)周期比、上、下部结构质量比及隔震支座屈服变形的增大而增大，但随隔震支座屈服一三上部结构重量的比值增大而减小，而隔震支座屈服后与屈服

5、前的刚度比的景：了!i．小：地震动空间差动效应对碰撞临界间隙的影响大，其中部分相干效应的影响更大，且部分相干效应越大，碰撞临晃间隙越大；当地基土的剪切波速小于200m／s时，考虑土一基础相互作用对碰撞临界间隙有一定的影响。(4)应用粘弹阻尼器对隔震梁桥地震碰撞反应实施了被动控制。基于随机振动理论，考虑隔震支座恢复力的非线性特性，建立了在邻梁(联)间或在主梁与桥墩间安装粘弹阻尼器的隔震桥梁碰擅分析方法；提出了防碰撞菲线性秸滞阻尼器的参数设计方法；仿真分析了邻梁的周期比和质量比、阻尼器的性能参数以及场地特征频率等对隔震桥梁碰撞反应控制效果

6、的影响。结果表明，在邻梁间安装粘滞阻尼器，能显著减小邻梁的相对位移，．从而能有效抑制碰撞的发生；邻梁周期比越大，控制效果越好。(5)应用磁流变(MR)阻尼器对隔震桥梁地震碰撞反应实施了半主动控制。建立了在邻梁(联)间或在主梁与桥墩间安装MR阻尼器的隔震桥梁碰撞分析的4自由度简化体系；应用模糊控制论，以邻梁相对位移的极小化为目标函数，建立了基于MR阻尼器的模糊控制器，并对其隶属函数、量化因子和比例因子进行了离线遗传优化和在线自调整；仿真分析了不同控制方案下多跨隔震连续梁桥碰撞反应的控制效果。结果表明j基于MR阻尼器的半主动控制，能有效控

7、制邻梁的相对位移和隔震支座的横向变形，且在主梁与桥墩之间安装阻尼器的控制效果更佳；与传统模糊控制和仅遗传优化的模糊控制相比，经离线遗传优化且在线自调整的模糊控制的控制效果和鲁棒性更好。(6)对隅震梁桥的碰撞反应进行了振动台试验。设计制作了一两跨隔震简支梁桥模型；通过振动台输入不同的地震波激励，测试了具有不同结构参数的模型梁桥的碰撞反应，以及应用MR阻尼器对模型梁桥邻粱相对位移的控制效果，并与计算结果进行了对比分析。结果表明，所建立的等效Kelvin碰撞模型能较准确地模拟强震作用下隔震梁桥的碰撞反应，包括邻梁问的撞击力和主梁的永平位移；

8、邻梁间隙和周期比以及隔震支座特性等对隔震梁桥的碰撞反应的影眭六．增大邻梁间隙或减小邻梁周期比，能显著地减小邻梁碰撞反应；在邻梁之间安装MR阻尼器，可显著地减小邻梁相对位移，且对墩顶位移影响不大。关键词：高架桥梁；地震作用