大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震反应分析与研究

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1、大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震反应分析与研究摘要本文主要研究了大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震反应问题，分别考虑了地基一基础一结构的相互作用、一致激励和非一致激励的情况。过去的十几年里，我国大跨度钢管混凝土拱桥的发展迅猛，分布在国内包括震区的许多地区。随着跨径的增大，钢管混凝土拱桥的抗风抗震问题不容忽略，由于抗艇试验的费用巨大，钢管混凝土拱桥的地震反应很大程度上依赖于计算机仿真分析。目前全面分析钢管混凝土拱桥的地被反应性能的文献还不多，现有的文献的分析也存在局限性。有关资料显示广西近年来出现过华南

2、最强烈的地震，因此本文在一定的理论和方法研究的基础上，针对广西壮族自治区内的两座大跨度钢管混凝土拱桥(176米中承式的桂林石家渡漓江大桥和346米下承式的南宁永和大桥)的地艇反应性能进行了研究。主要包括下面几个方面:1.研究了钢管混凝土非线性计算模型。采用弹塑性增量理论研究了钢管和混凝土的材料非线性模型，建立了。ttosen强度准则的弹塑性本构矩阵，并编制了基于Mises屈服准则和Ottosen强度准则的弹塑性增量本构关系计算程序;研究了空间梁单元的刚度矩阵、几何刚度矩阵和大变形几何刚度矩阵。2

3、.研究了钢管混凝土构件的恢复力滞回性能。以ANSYS通用程序为平台，通过二次开发语言UIDL和内部控制语言APDL编制了钢管混凝土构件恢复力滞回分析的专用模块。采用新的建模方法(空间实体单元模拟核心混凝土和薄壳单元模拟外包钢管)研究了由于钢管和混凝土的相互作用典尚设计-路桥效果图、三维动画http://www.dillsun.com而导致的三向受力性能，提出了核心混凝土在三向受力状态下的等效单轴应力应变曲线;研究了钢管混凝土构件的尸一d和M-4p,恢复力滞回曲线，与试验结果吻合得比较好。3.研究

4、了钢管混凝土拱桥的地基一基础一结构相互作用模型。采用三种方法来建立地基一基础一结构的相互作用的模型，分别是有限元法、子结构一有限元法和无限元一有限元相结合的方法，引入空间8结点的单向映射无限元模拟地基的半无限域，编制了空间无限元格式的计算程序;以大型通用有限元软件ABAQUS作为平台，利用二次开发技术，把这种单向映射无限元作为用户单元与ABAQUS里相应的单元相藕合，建立无限元一有限元相互作用模型。4‘研究了大跨度结构地震反应时程分析方法和求解动态方程的几种常用方法的比较;研究了基于随机过程的地

5、震地面运动加速度功率谱密度‘模型;考虑行波效应、空间效应和部分相干性:推导出适用于西部地区的与近展和远震烈度对应的震级和展中距、相应于地震烈度和场地土类别的平稳持时T.(s)、谱强度因子sa,(CM2/S3)。这些参数为西部地区的建立地被动随机模型提供科学的依据。研究了平稳和非平稳的随机过程模型、考虑空间变化和部分相干效应的地面运动加速度功率密度函数sx,(-)。利用随机振动理论，根据建立的地面加速度功率谱密度模型，编制了与场地类型和抗展设防烈度相对应且考虑行波效应和部分相干性的人工地震波程序。

6、5.研究了大跨度钢管混凝土拱桥地麓地面运动模型新途径。详细阐述了大质量法原理，首次提出运用大质量法来模拟大跨度钢管混凝土拱桥的地震地面运动，并运用二次开发技术与大型有限元软件相结合，这种方典尚设计-路桥效果图、三维动画http://www.dillsun.com法容易在大型软件上实现对大跨度结构进行非一致激励和行波效应的地震反应分析。6以大型通用有限元非线性分析软件(ANSYS和ABAOUS)为平台，利用计算机的二次开发技术和这些软件的用户接口程序，开发出这两个软件的接口程序。ANS丫5具有前后

7、处理比较优秀和内部编程语言比较方便控制模型离散的特点，而ABAOUS有比较强的非线性求解能力和提供给用户进行用户单元和材料的二次开发子程序比较完善。本文利用这两个软件的优势，建立三种考虑地基一基础一结构相互作用的模型对桂林石家渡大桥(176米中承式)和南宁永和大桥(346米下承式)两座钢管混凝土拱桥进行了弹性地震反应分析、材料非线性、几何非线性和双重非线性分析，比较深入的研究各种计算模式下的非线性性能的影响情况，为中承式和下承式大跨度钢管混凝土拱桥的非线性地震反应分析提供了新的分析模型、分析方法

8、和有价值的结论。关键词:钢管混凝土拱桥;弹塑性增量理论;非线性:非一致激励;行波效应:随机振动理论;地基一基础一结构动力相互作用典尚设计-路桥效果图、三维动画http://www.dillsun.comNonlinearAnalysisandResearchofSeismicResponseofLong-SpanConcreteFilledSteelTubularArchBridgesAbstractInthisthesis,theproblemsofnonlinearseismicrespon