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拱桥是我国公路上使用最广泛,历史最悠久的桥梁结构形式。它外观宏伟壮观,具有突出的美学效果,且经久耐用。拱桥与其他桥型相比,不仅外观独树一帜,且在受力性能上又有着超强之处。当在自重荷载和车辆荷载等竖向力的作用下,拱桥在支座处不仅会有竖直向上的作用反力,同时还会产生水平方向的作用力,水平方向的作用力产生的反弯矩抵消了一部分拱内正弯矩,最终让拱桥的最大弯矩值大幅度下降。正是因为拱桥的种种优点,使得其发展极其迅速。我国作为一个多地震的国家,在设计建造使用的过程中必须考虑地震对桥梁结构的影响,因为作为交通线上的枢纽工程,其破坏不但造成巨大的直接经济损失,还会使现代化的城市交通网络中断,造成更严重的次生灾害,使灾后的救灾工作愈发困难。目前我国学者对拱桥抗震理论研究取得了一定的成果,但不断变化的结构形式和复杂多样地形条件,使拱桥还未经历严酷的强震考验,故其抗震性能研究还属于不成熟阶段,这与我国拱桥大规模建设和广泛应用的客观现状极不匹配。因此,对拱桥进行抗震性能的探索和学习,创建一套正确可靠的理论体系和快捷简便的计算方法,是一项极其重要且利国利民的大任务。
本文以研究拱桥的抗震性能为主要目的,以广西桂江二桥为背景,对连跨拱桥的自振特性、地震响应分析等方面做了如下研究:
(1)查阅了大量的国内外的学术资料,并收集了各项统计数据,初步认识了桥梁自身动力特性和在地震作用下的破坏原理和形式,掌握了桥梁结构的地震分析理论和模型的计算方法,为论文的研究做好了最基本的工作。
(2)采用有限元分析软件Midas Civil建立连跨拱桥的空间计算模型,进行结构的基本动力特性分析,得到连跨拱桥的基本动力特性,为后面动力反应谱分析和动态时程分析做好铺垫。经综合分析,本文主要通过前十五阶的振动模态,得到相关数据。
(3)对连跨拱桥模型进行反应谱分析。结合实地地质条件和先行的各项设计规范选择模拟拱桥所用的地震反应谱,着重分析了顺桥向和横桥向作用对拱桥梁的影响,通过对各关键截面的内力的结果分析,总结其抗震规律和性能,为后续拱桥动态时程分析提供参考。
(4)对连跨拱桥模型进行动态时程分析。为了研究矢跨比对拱桥抗震的影响,通过改变拱桥的矢跨比,着重分析了顺桥方向和横桥方向地震对拱桥的影响,比对纵桥向和横桥向作用下关键截面时程分析的内力结果,定性得出不同矢跨比对拱桥抗震的影响,得出相对优秀的抗震拱桥模型。