钢管混凝土拱桥近断层地震抗震性能分析

钢管混凝土拱桥近断层地震

抗震性能分析

邢帆著

内容简介

本书将大跨度钢管混凝土拱桥结构如下承式系杆拱桥及飞鸟式梁拱组合桥的抗震性能为研

()

究内容以若干破坏影响力巨大的历史地震动记录美国北岭地震我国台湾集集地震我国汶川地

,(、、

震等的频谱特性研究为切入点基于有限元软件讨论了钢管混凝土拱肋材料非线性几何

),ANSYS、

非线性初始几何缺陷等因素对结构的抗震性能影响问题并通过小波分析方法实现了建立描述近

、,

断层地震作用大小的评价指标而分析是近年发展起来的用于评估地震动作用下结构性能的

。IDA

一种参数化分析方法能够考虑结构抗震能力的不确定性和随机因素是今后抗震性能评估的发展

,,

趋势基于以上内容在研究了近断层地震作用下的动力稳定问题后发现脉冲型近震的破坏

。,IDA,

力巨大有可能造成非线性极值动力失稳结构的失稳临界荷载会明显降低使用新的评价指标

,,。

作为分析强度指标可显

WAPA(WeihtedAveraePeakAcceleration)IDAIM(IntensitMeasure),

著改善g曲线簇的离散性g也有利于了解研究近断层脉冲运动对钢管混凝土拱桥结构所造成的y

IDA,

动力失稳破坏特点同时为进一步的地震易损性分析提供了更好的研究工具和思路书中特别附

,。

有如何进行小波分解与重构如何建立加权小波分量峰值加速度指标以及编写汉宁窗

L-P、WAPA

功率谱和小波局部谱密度分析等语言程序以供读者借鉴和参考

L-PMATLAB,。

本书适用于从事桥梁结构抗震专业的工程技术人员和高等院校的研究生等使用

。

图书在版编目(CIP)数据

钢管混凝土拱桥近断层地震抗震性能分析邢帆著北京

/—:

中国铁道出版社.

,20183.

ISBN978-7-113-24300-5

钢邢钢管混凝土拱桥防震设计

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①

Ⅳ.①U448.222.5

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2018)034579

书名:钢管混凝土拱桥近断层地震抗震性能分析

作者:邢帆著

策划:曾露平读者热线:

(010)63550836

责任编辑:曾露平

封面设计:刘颖

责任校对:张玉华

责任印制:郭向伟

出版发行:中国铁道出版社北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

印刷:虎彩印艺股份有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

201831201831

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/167.75193

书号:

ISBN9787113243005

定价:元

46.00

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,,。:(010)63550836

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:(010)51873659

前言

桥梁抗震工程是城市“生命线工程”的重要组成部分,尤其是在地震发生后的紧急救援和

抗震救灾中,其重要性不言而喻。本世纪发生的历次强震记录显示,曾经出现的强震地面加

速度峰值超过g,单纯依靠增加桥梁的强度无法抵御地震危害。因此,国内外学者逐渐意

1.0

识到过去的抗震设计理论仅以结构安全和防止结构损坏为目的是远远不够的。美国学者在

世纪年代初提出了基于性能的抗震设计思想(,

2090Performance-basedSeismicDesign

),就是针对不同的结构特点和性能要以保障桥梁结构在各级地震水平作用下的抗震性

PBSD

能,随着研究的不断深入,包括桥梁震害机理及易损性分析在内的桥梁结构抗震性能评估也成

为当前的研究热点与难点问题。

不同于远场地震,近断层地震往往表现为地震能量集中在时频域空间上突然的释放,不

-

大的低频速度脉冲就会给大跨桥梁带来灾难性破坏作用。近场地震动对结构有更高的能量需

求,因而吸引了许多学者对近场地震动本身的性质及其对结构影响方面的问题进行深入研究。

大跨度钢管混凝土拱桥体系受力复杂,对其在近断层地震作用下进行基于性能的抗震性能评

估研究具有重要的现实意义。鉴于地震动是强非平稳过程,桥梁结构受输入地震频谱特性的

影响,非线性响应结果差别巨大。同时,结构动力失稳问题也要从地震响应角度出发进行研

究,所以地震频谱特性的差异也会对动力稳定分析产生不容忽视的影响。而关于地震频谱特

性对结构非线性响应的影响研究是当前结构抗震分析中的前沿课题,需要涉及数字信号处理

及非线性动力学的多学科知识,尽管当前还难以使用准确的数学解析模型来描述地震的非平

稳性。尽管地震频谱特性对结构反应影响复杂,但还是可以通过地震时变谱大致建立起地震

能量的时频分布特征与结构非线性响应之间的联系。

本书以有关地震频谱特性的研究作为主线,同时也关注了包括材料非线性、几何非线性、

初始几何缺陷等因素对钢管混凝土拱桥的地震响应及动力稳定的影响问题。由于近断层强震

更易对长周期大跨桥梁结构造成严重破坏,因此论文不但对近断层地震的频谱特性及其反应

特点加以总结,还通过小波分析数值方法建立了能够反映近断层地震作用大小的指标

,并就近断层地震作用下的动力稳定问题展开了深入讨论。当前进行结构抗震性能评

WAPA

估的方法主要有非线性静力分析和增量动力分析,其中方法属于简

PushoverIDAPushover

化的评估方法,不能考虑地震动参数及高阶振型对结构反应的影响,虽然采用方法进行

IDA

结构的损伤程度分析需要大量的地震动输入,但是如果配合所谓地震易损性曲线则可判断出

2钢管混凝土拱桥近断层地震抗震性能分析

|

当地震动强度指标达到某一值时构件和结构可能发生的破坏状态。因此建立实用的、可以显

著改善曲线簇离散性的近断层地震作用强度指标()具有积极的

IDAIMIntensityMeasure

意义。

感谢被引用文献的专家和学者,感谢西南交通大学峨眉校区高层次人才科研基金项目“近

断层地震及大跨径桥梁非线性地震响应分析”(项目号)支持,感谢中国铁路

10101X10096009

总公司科技研究开发计划重点课题“高速铁路运营混凝土桥梁使用寿命预测方法及计算理论

研究”(课题编号)支持,感谢国家自然科学基金面上项目()支持,感谢中

2012G013-C51178397

国铁道出版社的支持。

邢帆作于四川峨眉山清音桥

年月日

20171010

目录

|

目录

第1章绪论…………………1

研究背景…………………

1.11

结构地震响应分析方法…………………

1.23

静力理论……………

1.2.14

反应谱理论…………

1.2.24

动力理论……………

1.2.34

非线性静力方法…………

1.2.4Pushover5

动态增量方法…………………

1.2.5IDA6

钢管混凝土拱桥抗震研究概况…………

1.37

地震非平稳性及其对弹塑性地震响应的影响…………

1.410

近断层地震近场地震研究进展………

1.5()12

基于的结构地震易损性研究展望………………

1.6IDA13

本章小结………………………

参考文献………………………17

18

第2章非平稳信号时-频分布估计……………23

概述………………………

2.123

经典频域分析方法………………………

2.223

短时傅里叶变换…………

2.325

小波变换…………………

2.425

连续小波变换………………………

2.4.126

二进小波变换………………………

2.4.227

时变谱估计………………

2.530

基于小波变换的时能密度法…………

2.6-31

时频分布估计实例

……………………

2.7-32

本章小结………………………

34

参考文献………………………

34

第3章钢管混凝土拱桥非线性地震响应分析………………36

概述………………………

3.136

考虑自重作用的初应力模态分析………

3.236

材料非线性问题…………

3.337

钢管混凝土拱肋材料………………

3.3.137

钢管风撑材料………………………

3.3.238

几何非线性问题…………

3.438

地震频谱特性问题………………………

3.539

2钢管混凝土拱桥近断层地震抗震性能分析

|

实例分析…………………

3.640

有限元模型…………

3.6.141

结构动力特性………………………

3.6.242

几何非线性影响……………………

3.6.342

材料非线性影响……………………

3.6.444

地震频谱非平稳性影响……………

本3章小结.6.5………………………46

参考文献………………………49

50

第4章近断层地震频谱特性与作用指标研究………………51

概述………………………

4.151

近场地震记录数据及其频谱特性………

4.251

地震持时选取………………………

4.2.152

近断层地震动频谱特性……………

4.2.254

各场地地震频谱特性与作用特点总结……………

4.2.361

地震低频信号对结构作用效果…………

4.364

衡量地震动对结构作用效果的指标……………………

4.467

结构对地震动频率成分的能量选择放大效应……

4.4.168

地震动信号总能量与小波分量能量………………

4.4.269

对各分量峰值的加权平均方法……………………

4.4.369

评价指标效果验证………

4.4.4WAPA70

本章小结………………………

72

参考文献………………………

72

第5章基于IDA分析的钢管混凝土拱桥动力稳定研究……74

概述………………………

5.174

动力稳定经典理论及工程实用判定准则………………

5.274

基于高性能计算的分析实现方法………………

5.3IDA77

动力稳定影响因素………………………

5.479

几何材料非线性影响……………

5.4.1、79

初始几何缺陷影响…………………

5.4.280

近断层地震动作用下的动力失稳………

5.582

动力失稳临界荷载的精确值………

5.5.182

近断层地震曲线簇的离散性………………

5.5.2IDA84

本章小结………………………

86

参考文献………………………

86

第6章专题……………………88

近断层地震时频谱特性小波变换分析

………………

6.1-88

概述…………………

6.1.188

改进的小波与局部谱密度分析

……………

6.1.2LP-88

非脉冲型近断层强震局部谱卓越谱峰值分析……

6.1.389

低频加速度脉冲对结构的破坏作用………………

6.1.491

目录3

|

结论…………………

615..93

近断层地震对飞鸟式钢管混凝土拱桥作用效应………

6.293

概述…………………

6.21.93

工程背景及有限元模型……………

6.2.294

结构动力特性………………………

6.2.395

地震动频谱特性……………………

6.2.495

非线性地震反应分析………………

6.2.597

结论…………………

6.2.699

近断层地震作用下高速铁路梁拱组合桥抗震性能评估研究综述……

6.399

高速铁路梁拱组合桥动力特性与抗震性能………

6.31.99

对基于性能的抗震设计的必要性………………

6.3.2101

概率性地震需求分析方面存在的问题…………

6.3.3103

对建立高速铁路梁拱组合桥抗震性能评估理论体系的构想…

6.3.4104

总结………………

6.3.5105

参考文献………………………

106

附录………………109

附录地震波加速度记录的二进小波分解和重构通过调用自编文件函数

AL-P(M

和…………………

LP_D1LP_R1)109

附录借助软件建立指标通过调用自编文件函数…

BMATLABWAPA(MWAPA1)

………………

112

附录汉宁窗功率谱和小波局部谱密度分析通过调用自编文件函数

CL-P(M

和…………

PWELCH_hanningLP_SpecDen2)114

第1章绪论

1.1研究背景

钢管混凝土拱桥最早源于年的苏联当时在列宁格勒今圣彼得堡建造了第一座跨

1937,()

越涅瓦河的钢管混凝土拱梁组合桥并于年又在西伯利亚依谢季河建成了跨度为

101m,1939

的上承式钢管混凝土铁路拱桥但是钢管混凝土拱桥真正得到推广和认可始于我国

140m。,,

在年所建成的四川旺苍东河桥为净跨的下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥也

1990,115m,

是国内率先使用弗氏预应力锚具体系锥形锚的结构

()。

钢管混凝土拱桥已在我国得到了蓬勃发展建成的各类型钢管混凝土拱桥已经多达数百

,

座较有影响的大跨钢管混凝土拱桥见表

,1-1。

表1-1我国现有的主要大跨钢管混凝土拱桥

名称所在地建成时间年主跨桥型

//m

旺苍东河桥四川广元下承式系杆拱桥

1990115

三山西大桥广东佛山飞鸟式

1995200

丫髻沙大桥广东广州飞鸟式

2000360

北盘江大桥贵州六盘水上承式提篮拱铁路

2001236()

月亮岛大桥辽宁丹东下承式提篮拱

2002202

永和大桥广西南宁中承桁式无铰拱

2004346.5

巫峡长江大桥重庆巫山中承式桁拱

2005460

茅草街大桥湖南南县飞鸟式

2006368

沪昆高铁控制性工程北盘江贵州省关岭布依族苗族自上承式钢管拱劲性

2015445

特大桥治县与晴隆县交界处骨架

合江长江一桥波司登大桥泸州合江中承式桁拱

()2013530

合江长江公路大桥泸州合江在建项目飞鸟式

668

曾经作为我国公路最大跨径的钢管混凝土拱桥为主跨的四川巫峡长江大桥铁路

460m,

最大跨径为主跨的水柏铁路北盘江大桥[1]现在这个记录已经被刷新泸渝高速公路

236m,:

合江长江一桥又称波司登大桥如图所示超过了巫峡长江大桥主跨是目前世

(,1-1)(530m),

界上同类型桥梁跨度最大的桥梁被誉为世界第一跨此外同在四川泸州合江县的渡改桥

,“”。,

在建项目合江长江公路大桥主跨达到惊人的大桥跨江段桥面宽设计双向车

—668m,27m,6

道结构为飞鸟式钢管混凝土系杆拱桥主跨跨径将是同类桥梁世界第一如图所示该

,,,1-2。

桥采取模式进行建设作为合江县的第一座地方公路长江大桥总投资亿元预计

ppp,,5.13,

2钢管混凝土拱桥近断层地震抗震性能分析

|

年月完工铁路方面当属沪昆高铁控制性工程北盘江特大桥如图所示该工程

201910。,1-3,

位于贵州省关岭布依族苗族自治县与晴隆县交界处融汇了中国桥梁建设中的拱桥斜拉桥

,、、

连续梁桥等桥型特点并且在钢管拱内首次使用混凝土大桥全长该桥

,C80。721.25m,

的跨度为目前世界最大跨度高速铁路桥梁桥面距江面约设计速度为

445m,300m,350

代表当今世界高速铁路桥梁建造技术最高水平

km/h,。

图合江长江一桥波司登大桥主跨图合江长江公路大桥效果图主跨

1-1()(530m)1-2(668m)

对于钢管混凝土拱梁组合桥来说因其属于无推力体系所以对水网地带的软弱地基具有

,,

极强的适应性该桥型的合理跨径范围在以内典型工程有建成于年主跨

。200m,2003130m

的宁杭高速公路南河大桥建成于年主跨的郑州黄河二桥建成于年主

;20048×100m;2005

跨的无锡华清大桥又称下甸桥目前最大跨径的钢管混凝土拱梁组合桥当属表

132m()。1-1

所列的跨径为的丹东月亮岛大桥如图所示

202m,1-4。

图沪昆高铁控制性工程北盘江特大桥图丹东月亮岛大桥主跨

1-31-4(202m)

主跨

(445m)

本书出现的钢管混凝土拱梁组合桥实例来自广西南宁市主干路级公路大桥凌铁大桥

I,

如图所示结构形式为主跨为的下承式钢管混凝土拱梁组合桥桥梁按双向四

1-5,2×132m,

车道设计主桥长于年月底正式通车而钢管混凝土飞鸟式拱桥实例来自江

,399m,20138。

西九江市修水县秋湖里大桥如图所示全长主跨分布为

,1-6,483.5m,50m+160m+50m,

双向六车道于年底建成通车

,2013。

近十年来全球强震频发太平洋地震带和喜马拉雅地震带环临我国令我国受地震灾害

,。,

的严重威胁举世震惊的汶川大地震年月日属于浅源断层地震正是由于印度

。(2008512),

洋板块向亚欧板块俯冲导致青藏高原快速隆起而产生了大地震发生在年月日

,