淺論地震作用下隔震高架橋梁的碰撞反應(yīng)及控制

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1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文地震作用下隔震高架橋梁的碰撞反應(yīng)及控制姓名：岳福青申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程指導(dǎo)教師：李忠獻(xiàn)20070401摘要橋梁作為城市重要交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，其抗震防災(zāi)問題日益受到學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。強(qiáng)震作用下橋梁易發(fā)生碰撞，導(dǎo)致主梁梁端開裂、伸縮縫擠壓、支座失效等破壞現(xiàn)象，甚至引發(fā)落梁等嚴(yán)重災(zāi)害。然而，目前國內(nèi)外對(duì)強(qiáng)震作用下橋梁碰撞的機(jī)理、模擬方法以及預(yù)防措施等尚缺乏深入的研究。本文以城市高架橋梁為對(duì)象，對(duì)強(qiáng)震作用下隔震高架橋梁的碰撞反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，從而為城市高架橋梁的地震碰撞危險(xiǎn)性分析以及防

2、碰撞設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。主要?jiǎng)?chuàng)新工作與成果有：(1)建立了橋梁碰撞分析的等效Kelvin碰撞模型及其參數(shù)確定方法?；贖ertz接觸理論，考慮波動(dòng)效應(yīng)，推導(dǎo)7Kelvin碰撞模型的碰撞剛度和阻尼的解析表達(dá)式；仿真分析了Kelvin碰撞模型碰撞剛度和阻尼的變化規(guī)律，并確定了其在實(shí)際工程中的合理取值范圍。結(jié)果表明，Kelvin碰撞模型的碰撞剛度隨Hertz接觸剛度、撞擊速度及鄰梁長度比的增大而增大，，且波動(dòng)效應(yīng)對(duì)碰撞剛度的影響明顯、不能忽略：Kelvin碰撞模型阻尼的恢復(fù)系數(shù)隨撞擊速度增大而減小，且隨鄰梁

3、長度比的增大而增大。(2)系統(tǒng)分析了強(qiáng)震作用下隔震高架橋梁的碰撞反應(yīng)?！谒岢龅牡刃elvin碰撞模型，考慮橋墩非線性和土一基礎(chǔ)相互作用。建立了隔震簡支梁橋和隔震連續(xù)梁橋的非線性有限元模型；生成了擬合規(guī)范反應(yīng)譜、且考慮地震動(dòng)空間差動(dòng)效應(yīng)的人工地震波；仿真分析了強(qiáng)地震動(dòng)的一致激勵(lì)及僅考慮行波效應(yīng)、僅考慮部分相干效應(yīng)或同時(shí)考慮行波效應(yīng)與部分相干效應(yīng)的非一致激勵(lì)下隔震梁橋的非線性碰撞反應(yīng)。結(jié)果表明：地震動(dòng)空間差動(dòng)效應(yīng)對(duì)隔震梁橋碰撞反應(yīng)的影響大，且對(duì)連續(xù)梁橋的影響更大；考慮地震動(dòng)空問差動(dòng)效應(yīng)，碰撞過程中接●t明顯增大，且同時(shí)考慮行波效應(yīng)

4、和部分相干效應(yīng)時(shí)撞擊力的增幅最大；隨著視波速的增大，其影響逐漸減弱。．(3)建立了隔震梁橋地震碰撞臨界間隙的計(jì)算方法。考慮隔震支座恢復(fù)力的非線性特性，建立了周期不等的鄰梁(聯(lián))碰撞分析的2個(gè)雙自由度簡化系統(tǒng)；基于隨機(jī)振動(dòng)理論，建立了系統(tǒng)的非線性運(yùn)動(dòng)方程及等效線性化方程，推導(dǎo)了砬撞艋界間隙鮑計(jì)算表達(dá)式：仿真分析了隔震粱橋考慮地震動(dòng)空問差動(dòng)效應(yīng)和土一基礎(chǔ)相互作用的碰撞臨界間隙。結(jié)果表明：碰撞臨界間隙隨鄰梁(聯(lián))周期比、上、下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比及隔震支座屈服變形的增大而增大，但隨隔震支座屈服一三上部結(jié)構(gòu)重量的比值增大而減小，而隔震支座屈服后與屈服

5、前的剛度比的景：了!i．小：地震動(dòng)空間差動(dòng)效應(yīng)對(duì)碰撞臨界間隙的影響大，其中部分相干效應(yīng)的影響更大，且部分相干效應(yīng)越大，碰撞臨晃間隙越大；當(dāng)?shù)鼗恋募羟胁ㄋ傩∮?00m／s時(shí)，考慮土一基礎(chǔ)相互作用對(duì)碰撞臨界間隙有一定的影響。(4)應(yīng)用粘彈阻尼器對(duì)隔震梁橋地震碰撞反應(yīng)實(shí)施了被動(dòng)控制。基于隨機(jī)振動(dòng)理論，考慮隔震支座恢復(fù)力的非線性特性，建立了在鄰梁(聯(lián))間或在主梁與橋墩間安裝粘彈阻尼器的隔震橋梁碰擅分析方法；提出了防碰撞菲線性秸滯阻尼器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；仿真分析了鄰梁的周期比和質(zhì)量比、阻尼器的性能參數(shù)以及場(chǎng)地特征頻率等對(duì)隔震橋梁碰撞反應(yīng)控制效果

6、的影響。結(jié)果表明，在鄰梁間安裝粘滯阻尼器，能顯著減小鄰梁的相對(duì)位移，．從而能有效抑制碰撞的發(fā)生；鄰梁周期比越大，控制效果越好。(5)應(yīng)用磁流變(MR)阻尼器對(duì)隔震橋梁地震碰撞反應(yīng)實(shí)施了半主動(dòng)控制。建立了在鄰梁(聯(lián))間或在主梁與橋墩間安裝MR阻尼器的隔震橋梁碰撞分析的4自由度簡化體系；應(yīng)用模糊控制論，以鄰梁相對(duì)位移的極小化為目標(biāo)函數(shù)，建立了基于MR阻尼器的模糊控制器，并對(duì)其隸屬函數(shù)、量化因子和比例因子進(jìn)行了離線遺傳優(yōu)化和在線自調(diào)整；仿真分析了不同控制方案下多跨隔震連續(xù)梁橋碰撞反應(yīng)的控制效果。結(jié)果表明j基于MR阻尼器的半主動(dòng)控制，能有效控

7、制鄰梁的相對(duì)位移和隔震支座的橫向變形，且在主梁與橋墩之間安裝阻尼器的控制效果更佳；與傳統(tǒng)模糊控制和僅遺傳優(yōu)化的模糊控制相比，經(jīng)離線遺傳優(yōu)化且在線自調(diào)整的模糊控制的控制效果和魯棒性更好。(6)對(duì)隅震梁橋的碰撞反應(yīng)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)制作了一兩跨隔震簡支梁橋模型；通過振動(dòng)臺(tái)輸入不同的地震波激勵(lì)，測(cè)試了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型梁橋的碰撞反應(yīng)，以及應(yīng)用MR阻尼器對(duì)模型梁橋鄰粱相對(duì)位移的控制效果，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，所建立的等效Kelvin碰撞模型能較準(zhǔn)確地模擬強(qiáng)震作用下隔震梁橋的碰撞反應(yīng)，包括鄰梁問的撞擊力和主梁的永平位移；

8、鄰梁間隙和周期比以及隔震支座特性等對(duì)隔震梁橋的碰撞反應(yīng)的影眭六．增大鄰梁間隙或減小鄰梁周期比，能顯著地減小鄰梁碰撞反應(yīng)；在鄰梁之間安裝MR阻尼器，可顯著地減小鄰梁相對(duì)位移，且對(duì)墩頂位移影響不大。關(guān)鍵詞：高架橋梁；地震作用