高速铁路大跨矮塔斜拉桥地震功能易损性研究
高速铁路在国家“一带一路”和“十四五规划”重大战略实施中意义显著。桥梁作为生命线工程，地震作用下的损伤破坏不仅影响结构安全性，更对铁路干线运营、抢险救灾及行车安全性产生较大影响。矮塔斜拉桥因其特有优势，迅速推广并运用到高速铁路中。然而，对于该类型桥梁地震损伤形态、损伤规律的研究相对较少；尤其是考虑高速铁路行车安全性的高要求，进而对地震作用下功能损伤定义及损伤指标选择、桥梁模态识别、地震动强度参数选取、功能损伤与承载安全损伤的异同以及桥梁损伤超越概率等问题尚缺乏系统研究。因此，本文以某大跨高速铁路矮塔斜拉桥为研究对象，在既有研究基础上，采用文献调研、理论推导、数值模拟、概率解析、既有试验参考论证等方法开展研究，并综合运用桥梁工程、地震工程学、有限元理论、结构可靠度、概率及数理统计论相关知识，解决上述问题，取得以下研究成果： (1)本文基于高速铁路桥梁行车安全性，提出“功能地震易损性”概念，是对传统桥梁地震承载安全易损性研究的拓展，也是桥梁“多级抗震设防”的进一步体现，明确桥梁“功能性态”损伤与“承载性态”损伤既有差别也存在联系。 (2)确定“功能性态”和“承载性态”损伤极限状态，选取主梁转角、墩顶位移、墩柱（索塔）曲率、支座位移及斜拉索索力作为损伤指标，并建立适用于该类型桥梁各损伤形态的指标评估标准及量化方法。 (3)提出“平均振型应变能系数”作为矮塔斜拉桥主导模态识别的指标，设置其阈值为0.01识别结构主导模态。分别识别出该桥x、y、z方向主导模态，并通过时程分析及振型分解反应谱法，对主导模态进行校验，验证理论推导的正确性。桥梁主导模态的识别，对明确结构动力特性、地震损伤分析提供科学保障。 (4)提出优化地震动强度参数的计算方法，得到能充分耦合桥梁自振特性与地震动频谱信息的优化地震动强度参数Sa,gui，并结合“功能性态”和“承载性态”易损性工程需求参数分析，与传统地震动强度参数进行论证，得出Sa,gui优势明显。 (5)探明结构不确定性对桥梁动力响应影响，分析各工程需求参数对材料、结构特性以及结构几何尺寸等随机参数的敏感性，得到影响桥梁动力响应的主、次要及不敏感参数，进一步验证所建立易损性分析指标的合理性和适用性，为高速铁路矮塔斜拉桥易损性研究提供有力保障。 (6)对矮塔斜拉桥的易损性研究可得到，不确定性无论是对概率地震需求分析，还是损伤的超越概率均影响较大。分别得到纵、横向地震下，不同构件在不同极限状态下损伤规律及损伤超越概率，并对构件损伤进行排序，与国内同类型桥梁振动台试验结果相吻合，证明了本文研究的准确性。同时，探明“功能损伤”和“承载损伤”的关系，也进一步体现功能安全在高速铁路桥梁中的重要性。 (7)桥梁系统功能和承载损伤对比进一步说明，随着损伤程度的发展，高速铁路矮塔斜拉桥功能损伤将成为突出问题，其在抗震设计、损伤分析及评估中需被重点关注。本文提出的桥梁“功能损伤”研究具有理论及实践意义，可应用到高速铁路大跨复杂桥梁易损性研究中。
矮塔斜拉桥;地震易损性;功能损伤;平均振型应变能系数;地震动强度参数;不确定性
西南交通大学
博士
桥梁与隧道工程
杨永清
2021
中文
U448.27
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）