高速铁路钢管混凝土拱桥抗震性能分析及地震经济风险评估

作     者：王力 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李子奇

授予年度：2018年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：钢管混凝土系杆拱桥 动力响应 材料非线性 增量动力分析方法 MPA方法 易损性分析 地震经济风险分析 

摘      要：近年来,钢管混凝土拱桥因其良好的力学性能、较好的经济性和较短的建设周期等优点在我国高速铁路桥梁工程得到了快速的发展和应用。以宝兰客专线武威路双洞子钢管混凝土系杆拱桥为工程背景,深入研究了钢管混凝土拱桥的非线性地震响应特性,并结合IDA分析法,对该桥进行了地震易损性分析和地震经济风险评估。本文以一高速铁路铁路钢管混凝土系杆拱桥的抗震性能与易损性为主线,主要研究工作包括以下几方面:(1)通过查阅大量文献和资料,详细阐述了世界范围内关于桥梁结构抗震设计的发展历程和抗震性能研究现状,介绍了地震易损性分析在桥梁工程领域的应用,并对钢管混凝土拱桥的抗震性能的发展现状进行了概括,对钢管混凝土拱桥在铁路上的应用情况进行了总结。(2)以实际工程为背景,运用Midas/Civil有限元软件建立了高速铁路线上一钢管混凝土系杆拱桥空间弹塑性有限元模型,通过等比例缩尺的钢管混凝土轴心受压试验,得到了与该桥拱肋材料、几何特性相同的钢管混凝土本构关系,用Midas/FEA软件模拟并校核试验结果的正确性,将该本构关系输入拱肋截面,并对全桥进行自振特性分析。(3)运用Pushover、MPA两种静力弹塑性分析方法,对钢管混凝土拱肋进行横桥向地震响应对比分析,并通过SIMQKE软件拟合的人工地震波进行了IDA分析,基于IDA计算结果验证了Pushover和MPA法在该类桥梁抗震分析中的适用性和准确性。(4)根据桥址处场地类别和结构自振周期等因素,从美国PEER地震数据库中选取了一系列地震记录。基于增量动力分析法,建立了在横桥向和顺桥向地震作用下的IDA曲线,详细分析了不同关键截面处的抗震性能和破坏过程。(5)对钢管混凝土拱肋截面进行了弯矩-曲率分析,选取曲率延性比作为拱肋损伤评价指标,定义了拱肋的不同损伤状态。运用增量动力分析方法,研究了该桥横桥向的地震响应,依据传统可靠性理论和失效概率上下限计算方法,分析评估了该桥拱肋的抗震性能。(6)将年预期损失作为地震经济风险评价指标,对该高速铁路钢管混凝土系杆拱桥进行了地震经济风险的量化分析,得出了桥梁在地震作用下的总损失比率曲线,供相关决策者全面考量桥梁的地震经济风险,对桥梁抗震设计、震后桥梁的加固或新建做出合理决策。