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一种石砌拱上建筑结构加固新方法

重庆交通大学学报（自然科学版） 2012年第1期31卷 29-32,36页

作者：周志祥毛久群张江涛重庆交通大学土木建筑学院重庆400074

针对空腹式拱桥石砌拱上建筑存在严重病害的情况,提出一种用钢筋混凝土周边框架增强石砌拱上建筑结构的新方法;探讨了用钢筋混凝土周边框架增强石砌结构的力学特点,提出了简化的实用计算方法;针对依托工程桥梁,分析比较加固前后桥梁结... 详细信息

针对空腹式拱桥石砌拱上建筑存在严重病害的情况,提出一种用钢筋混凝土周边框架增强石砌拱上建筑结构的新方法;探讨了用钢筋混凝土周边框架增强石砌结构的力学特点,提出了简化的实用计算方法;针对依托工程桥梁,分析比较加固前后桥梁结构的受力状态。

关键词：拱上建筑病害钢筋混凝土框架

大跨上承式拱桥梁式拱上建筑多维地震易损性研究

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大跨上承式拱桥梁式拱上建筑多维地震易损性研究

作者：徐蝶重庆交通大学

学位级别：硕士

上承式拱桥由于外形美观,自重轻,跨越能力强等优点,成为山区最常用的桥型之一。随着设计和施工方法的改进与创新,上承式拱桥正朝着大跨、结构形式多样化发展。当跨径较小时,拱上建筑震害不是很突出,损伤多发生在主拱圈处。但是随着跨径... 详细信息

上承式拱桥由于外形美观,自重轻,跨越能力强等优点,成为山区最常用的桥型之一。随着设计和施工方法的改进与创新,上承式拱桥正朝着大跨、结构形式多样化发展。当跨径较小时,拱上建筑震害不是很突出,损伤多发生在主拱圈处。但是随着跨径增大,拱上立柱高差异化愈发显著,各立柱上的地震力差值逐渐增大,导致拱上建筑震害越发明显。因此,拱上建筑的震害可能会成为大跨上承式拱桥抗震设计的主要矛盾。当前上承式拱桥抗震研究多关注主拱圈性能,很少考虑拱上建筑在拱桥破坏过程中的作用,这无疑会给拱桥系统损伤概率的评判带来误差。鉴于此,本文针对某大跨上承式拱桥的梁式拱上建筑进行多维地震易损性研究,通过与拱上建筑相同结构形式的梁桥对比,探究拱圈对拱上建筑易损性的影响。在此基础上,希望将现有非规则梁桥的抗震设计方法运用于拱上建筑的抗震优化设计之中。本文主要研究内容及结论如下:(1)以某大跨上承式钢筋混凝土拱桥为研究对象,基于SAP2000有限元平台建立了拱桥模型、主拱圈模型和梁桥模型,并对比分析其动力特性。然后,分别研究了纵向、横向和竖向加载下立柱底部滤波时程的频谱特征和关键构件的地震响应;通过对比分析,揭示了主拱圈对梁式拱上建筑地震响应的影响。研究表明:主拱圈的存在使得结构变柔,自振周期增大。滤波时程的加速度反应谱在结构基本自振周期段内有放大效应,立柱越矮放大效应越明显;滤波时程的功率谱值在部分低频段内增加,在高频段内减小,立柱越矮衰减越严重。水平加载方向上,拱上建筑与相同结构形式的梁桥地震响应分布规律基本一致,且多数拱上建筑构件的地震响应小于同位置的梁桥构件;横向加载时,拱上建筑构件在纵桥向产生不可忽略的内力,构件双向受力明显。拱上建筑对竖向地震更加敏感,其较相同结构形式的梁桥产生更大的地震响应。总的来说,主拱圈在各方向加载下对拱上建筑地震响应影响从大到小排序依次为竖向、横向、纵向。(2)确定构件的损伤指标,结合增量动力分析法(IDA)和能力需求比法(C/D)确定三维地震作用下桥梁的抗震薄弱环节。基于三维地震易损性分析方法(TDSFA)和条件边缘乘积法(PCM)建立了桥梁构件和系统的易损性曲线,在此基础上,采用易损性指数讨论了竖向地震动和地震动输入方向对构件损伤概率的影响。通过对比分析,明确了拱上建筑的多维地震易损性能以及主拱圈对拱上建筑损伤概率的影响。研究表明:大跨上承式拱桥损伤由高到低依次为:拱上建筑支座变形损伤、立柱弯曲损伤、主拱圈弯曲损伤、立柱剪切损伤。拱上建筑构件与相同结构形式的梁桥构件具有相似的易损性曲线,高墩柱和支座损伤严重。主拱圈的存在导致拱脚高立柱、拱顶矮立柱和1/4点附近的拱上建筑支座的易损性概率可能大于对应梁桥构件的损伤概率,而剩余情况下拱上建筑构件较同一梁桥构件的损伤概率会更小。拱上建筑的系统易损性概率略小于同结构形式的梁桥,主拱圈的存在对上部结构的抗震有利。拱上建筑抗震分析时需要考虑竖向地震动和地震动输入方向的影响。(3)参照非规则梁桥的抗震设计方法,通过调整支座刚度和改变分联形式对拱上建筑进行抗震优化设计并提出相关建议。研究表明:拱上建筑在进行支座刚度优化时需要考虑上部结构的约束作用,调整支座刚度更多是削弱了矮墩柱的地震响应。连续梁体系比简支梁体系更有利于各墩协同抗震,采用分联形式均匀的短联拱上建筑减震效果最佳。将边跨一联设置为刚构体系后有利于高立柱抗震,但应控制跨数不宜过多。综合优化后各易损构件地震响应和损伤概率符合预期效果,但个别支座位移响应会增加,必要时需要设置限位措施。

关键词：上承式拱桥拱上建筑易损性曲线多维地震抗震优化设计

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石砌拱上建筑结构病害原因与加固方法研究

石砌拱上建筑结构病害原因与加固方法研究

作者：丁小戈重庆交通大学

学位级别：硕士

本文针对四川遂宁仁和桥石砌拱上建筑存在比较严重的病害问题,研究了石砌拱上建筑病害产生原因,对导师提出的用钢筋混凝土周边框架加固石砌拱上建筑加固方法进行了分析论证,主要研究工作如下:通过对遂宁市仁和石拱桥运行现状进行实地调... 详细信息

本文针对四川遂宁仁和桥石砌拱上建筑存在比较严重的病害问题,研究了石砌拱上建筑病害产生原因,对导师提出的用钢筋混凝土周边框架加固石砌拱上建筑加固方法进行了分析论证,主要研究工作如下:通过对遂宁市仁和石拱桥运行现状进行实地调查,按照病害发生部位进行分类归纳,并对病害成因进行了详细的分析。同时利用有限元计算软件对其内力进行了计算,对其承载力和安全性进行了评估,为桥梁的加固和改造设计提供具体的技术资料。分析表明,引起石砌拱上建筑病害原因可以归结为外荷载作用和自然环境风化两大类。在对仁和石拱桥拱上建筑裂缝缺陷进行统计的基础上,建立了一道带有裂缝缺陷的石砌墙体有限元模型,分析了裂缝缺陷对石砌墙体的力学行为的影响;并比较分析了用钢筋混凝土周边框架加固有裂缝缺陷的石砌墙体,表明该加固方法是切实有效的。对目前常见的用于石砌拱上建筑部分加固的方法进行了总结,对其经济性、耐久性和施工特点进行了分析。最后对导师提出的用钢筋混凝土周边框架加固石砌拱上建筑的方法进行了分析,论证了该加固方法是切实可行和安全可靠的。

关键词：拱上建筑石砌结构病害特征加固方法

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大跨拱桥梁式拱上建筑减震控制研究

大跨拱桥梁式拱上建筑减震控制研究

作者：康洵重庆交通大学

学位级别：硕士

地震是最严重的自然灾害之一,拱桥是我国西南山区地区运用最广泛的一类桥型。与梁式桥和斜拉桥比较,拱桥构造形态优美、跨越能力大、耐久性好,是250-600m范围内竞争力最大的桥梁结构形式,并且拱桥作为交通枢纽的重要组成部分,一旦桥梁... 详细信息

地震是最严重的自然灾害之一,拱桥是我国西南山区地区运用最广泛的一类桥型。与梁式桥和斜拉桥比较,拱桥构造形态优美、跨越能力大、耐久性好,是250-600m范围内竞争力最大的桥梁结构形式,并且拱桥作为交通枢纽的重要组成部分,一旦桥梁遭受破坏,将导致巨大的财产损失和生命安全。对于中小跨径上承式拱桥,拱上建筑的高矮墩差距的问题虽然还不明显,随着拱桥跨径的增大,拱圈跨径和拱上立柱高矮墩的差异都会越来越大,在地震作用下的响应特征也变得更为复杂。目前学者们对拱桥地震响应的研究成果已比较成熟,但对于大跨上承式拱桥高矮不一的拱上立柱的地震响应不均的问题解决办法尚不完善。本文通过对跨径的优化,对比分析优化前后不同形式的拱上建筑的地震响应和易损性,为高度相差过大的不规则梁桥和拱桥的抗震设计和加固提供参考。本文以某大跨上承式钢筋混凝土拱桥为例,基于有限元计算软件SAP2000展开研究,主要研究内容与结论如下:（1）以跨径为优化参数,通过拱轴线悬链线方程表示出各桥墩高度,两联间的桥墩-支座的组合刚度差为目标函数,在满足构造条件的约束条件下,使用Matlab遗传算法对跨径进行优化。使用SAP2000建立优化前后的全桥有限元模型,对优化前后的动力特性,拱上立柱、主梁以及拱圈关键承重构件的位移和内力地震响应特性进行了对比分析。研究发现:拱上建筑中桥道梁结构的连续构造能减小主梁的最大位移,优化后的拱上建筑形式减小了主梁的最大位移和两联间的相对位移,各桥墩的弹塑性状态相对更均匀。（2）基于IDA方法和易损性分析理论,对优化前后的拱上建筑的关键构件（拱上立柱、支座和主梁）进行了易损性分析对比,基于是否考虑关键构件之间的相互作用,对结构进行了系统易损性分析。研究发现:不同形式的拱上建筑结构在地震作用下各构件不同损伤状态的损伤概率,都随地震动峰值加速度PGA的增大而增大,越接近拱顶处的拱上立柱和支座,越容易破坏。优化后的拱上建筑形式,各构件的损伤概率都有不同程度的减小,验证了优化算法的正确性。拱上建筑的系统损伤概率均大于各构件单独破坏的概率,按构件来评判拱上建筑系统的易损性会高估拱上建筑的抗震性能。（3）通过调整拱上建筑跨径配合支座刚度设计、只调整跨径和只设计支座刚度进行对比分析,得到不同的拱上建筑形式优化方案,建立不同的优化模型进行对比分析,研究发现:调整支座刚度可以通过按墩底剪力相等和墩底弯矩相等的原则设计,对拱顶处矮墩内力能起到一定程度的改善作用,按墩底剪力相等原则比墩底弯矩相等原则设计支座刚度对桥墩受力更合理。调整跨径同时配合支座刚度设计比单独考虑跨径和支座对桥墩受力和主梁位移的减震效果更好。

关键词：拱上建筑合理分跨地震响应易损性分析支座刚度设计

大跨径钢桁拱桥主拱圈及拱上建筑结构形式研究

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大跨径钢桁拱桥主拱圈及拱上建筑结构形式研究

作者：何齐家贵州大学

学位级别：硕士

钢桁拱桥具有自重轻、结构造型美观、跨越能力强、施工便捷等优点,主拱圈及拱上建筑结构形式种类繁多。目前国内外对于大跨径钢桁拱桥整体设计、分析和施工的研究较多,但是对于钢桁拱桥各类主拱圈和拱上建筑结构形式的研究还不够完善,... 详细信息

钢桁拱桥具有自重轻、结构造型美观、跨越能力强、施工便捷等优点,主拱圈及拱上建筑结构形式种类繁多。目前国内外对于大跨径钢桁拱桥整体设计、分析和施工的研究较多,但是对于钢桁拱桥各类主拱圈和拱上建筑结构形式的研究还不够完善,不同结构形式对全桥的影响尚不明确。因此,深入研究钢桁拱桥主拱圈及拱上建筑各类结构形式的特点很有必要,成果可为今后大跨径钢桁拱桥的设计选型提供参考。本文以跨径520m的大跨径上承式钢桁拱桥为依托,通过选取不同结构形式的的主拱圈、结构体系、拱上立柱和桥道梁,控制结构设计参数,利用有限元分析软件Midas Civil 2021对结构自身以及桥梁的力学性能、材料用量、变形、稳定性和动力性能等进行对比分析,得出了相关结论。论文开展的主要工作如下:(1)收集国内外大跨径钢拱桥的设计构造和研究现状,总结钢桁拱桥拱圈常用结构形式、拱上建筑的布置及结构形式、受力特点等。(2)对不同结构形式和结构体系的主拱圈进行研究。主拱圈结构形式主要考虑柏式、华伦式和K式桁架等,主拱圈结构体系主要研究上承式和中承式。通过建立有限元模型,控制结构设计参数,对比分析桥梁在力学性能、变形、材料用量、稳定性和动力特性等方面的差异。(3)对拱上建筑的结构形式进行研究。拱上建筑的设计立应尽量减轻结构自重,又不使荷载过分集中给拱圈受力造成不利影响。立柱形式采用排架式和格构式,遵循控制自重的原则。桥道梁选用钢箱叠合梁、工字钢叠合梁等形式,遵循控制应力的原则。经过多次试设计,确定立柱和桥道梁的各关键设计参数,通过建立有限元模型对比分析,研究各结构形式的特性及其对桥梁的影响。(4)通过研究大跨径钢桁拱桥主拱圈和拱上建筑结构形式,得出能够指导钢桁拱桥设计选型的有益结论。

关键词：钢桁拱桥主拱圈拱上建筑结构形式

大跨拱桥梁式拱上建筑地震响应特征及减震控制

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大跨拱桥梁式拱上建筑地震响应特征及减震控制

作者：刘冰重庆交通大学

学位级别：硕士

我国西南地区由于地形的影响,上承式拱桥已经作为桥梁的主要桥型,近年来大跨度拱桥已建和在建项目越来越多,拱桥在交通工程中发挥着至关重要的作用,如果发生破坏,将会造成严重后果。目前对上承式拱桥抗震的研究以针对主拱圈的地震破坏为... 详细信息

我国西南地区由于地形的影响,上承式拱桥已经作为桥梁的主要桥型,近年来大跨度拱桥已建和在建项目越来越多,拱桥在交通工程中发挥着至关重要的作用,如果发生破坏,将会造成严重后果。目前对上承式拱桥抗震的研究以针对主拱圈的地震破坏为主,很少有关于拱上建筑的抗震研究,在拱桥跨径不是很大的情况下,拱上建筑的抗震问题可能并不突出,但跨径增大后,拱上建筑跨径和高度都将显著增大,抗震问题可能会成为桥梁设计的主要矛盾。空腹式拱桥拱上建筑的桥墩呈现出高矮不一的特征,存在和高低墩梁桥类似的抗震问题,目前学者对梁桥地震响应的研究成果十分丰富,本文希望通过分析对比拱上建筑与相同结构的梁桥的地震响应和减震控制方案的区别,把目前有关梁桥抗震探究的诸多成果应用到拱上建筑上,为我国拱桥抗震、减震设计提供理论依据和参考。本文以大跨上承式钢筋混凝土拱桥为例,围绕大跨度拱桥地震反应特性及减震控制技术,基于有限元计算软件SAP2000,对拱上建筑的地震响应特性及减震控制方案进行分析,主要研究内容与结论如下:(1)以某上承式钢筋混凝土拱桥为工程背景,基于SAP2000分析软件建立全桥有限元分析模型对其进行非线性时程分析,在国内外研究成果的基础上,明确大跨上承式钢筋混凝土拱桥的震响应特征。通过提取拱上建筑桥墩基底的加速度时程响应并进行功率谱变换,分析主拱圈弹性滤波后桥墩基底的加速度能量分布特征;通过与地震波自身功率谱的对比,评价主拱圈对拱上建筑的滤波效应;再分别从加速度、位移等角度分析了梁式拱上建筑和相同形式的梁桥的地震响应的区别,讨论主拱圈对拱上建筑的“弹性滤波”的影响。研究发现:拱圈的弹性滤波削减了输入到拱上建筑中的地震动的中频和高频的振动能量,放大了低频段内的能量,且对拱顶附近拱上建筑的影响远大于拱脚,弹性滤波使桥墩更易进入塑性阶段,桥墩顶部位移和加速度、支座位移以及梁体位移均大于相同结构的连续梁。另外拱圈阻尼的存在和较大的刚度能够降低滤波效应的影响。(2)基于易损性的理论分析法,根据大跨梁式拱上建筑的地震破坏特征,利用SAP2000软件建立拱桥有限元模型并进行地震响应分析,规定拱上立柱、支座和主梁构件的地震破坏状态和损伤指标,结合各构件的地震反应函数计算其概率密度,最后求取各构件超越既定损伤指标的超越概率,得出拱上立柱、支座和主梁的易损性曲线;并用相同的方法计算与拱上建筑结构相同的梁桥构件的易损性曲线并与之比较,最后通过是否考虑不同构件之间的相关性,采用一阶和二阶界限法计算拱上建筑与相同结构的梁桥的系统易损性曲线。研究表明当桥墩较高时(拱脚位置),拱上立柱与相同结构的梁桥桥墩的损伤概率相差不大,随着桥墩高度降低,即拱上立柱从拱脚位置到拱顶位置,其损伤概率明显大于相同结构的梁桥;当靠近拱顶时,考虑主拱圈滤波效应和阻尼的影响,拱圈的阻尼消耗了大部分能量,经过拱圈后传递到支座的能量小于梁桥支座,所以梁桥支座的损伤概率要大于拱上支座;因为拱圈的阻尼消耗了大部分能量,地震作用下主梁基本不会发生破坏,梁桥的系统易损性高于拱上建筑,系统易损性强于各构件易损性,用各构件的易损性来评价结构是偏不安全的。(3)本文通过布置粘滞阻尼器和调整支座刚度两种方案对拱上建筑的进行减震控制研究,分析得到了最优化的阻尼器参数,并从位移和内力响应的方面,分析了阻尼器对拱上建筑的减震控制作用。然后基于目前对山区简支梁桥的支座调整方案,分析比较了拱上建筑与相同结构的梁桥支座调整方案的区别,对拱上建筑的支座调整方案进行优化并提出相关建议。研究发现:阻尼器的施加能有效地减小墩梁相对位移,但构件内力会有不同程度的增加。拱上建筑的支座刚度布置方案原则上通过增大高墩支座刚度,减小矮墩支座刚度的方式。但是拱上建筑支座的布置方案与不规则梁桥存在不同,应在高墩处设置高于梁桥的支座刚度,在矮墩处设置与梁桥近似等值或者较小的刚度值。

关键词：拱上建筑地震响应弹性滤波易损性分析减震控制方案