隔震橋梁含防落裝置與阻尼器之非線性動力反應分析研究

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張雅淇(Ya-Chi Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

隔震橋梁含防落裝置與阻尼器之非線性動力反應分析研究

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摘要(中)

本研究目的以彈簧與阻尼為基本元件，並以開孔元素模擬不工作長度，探討各種不同組合之防落裝置效用以及與橋梁結構間之互制行為，另外亦討論隔震橋梁增設阻尼器之消能效用，藉由廣泛之參數分析，求得最佳之設計參數並建立設計圖表供參考，設計參數包含橋梁周期、兩相鄰橋梁周期比、彈簧勁度值、阻尼係數、防落裝置不工作長度與阻尼比等。
強震下橋梁結構部分構件已進入非線性行為，因此本研究以非線性動力分析為主，建立非線性分析模型，非線性構件包含支承、柱底塑鉸、防落裝置等，為大量參數分析，亦建立簡化數值分析模型，以節省分析時間，可更完整地探討各參數對橋梁動態反應之影響。
由分析結果顯示，防落裝置型式愈接近純阻尼元素，且於適當的不工作長度下，有助於降低橋梁結構動力反應；連結於上部結構與橋墩之阻尼器安裝於第一振態自然周期小於1.2秒之橋梁結構，其消能能力不佳，因此自然周期大於1.2秒之橋梁配置適當阻尼，降低橋梁動力反應情形較佳。

摘要(英)

The objective of this study is to determine the effects of varied unseating prevention devices consists of springs, dampers and hook/gap elements simulated the workless length and the interactive behavior between these devices and whole bridges, in addition, the effects of energy dissipating dampers installed within isolated bridges are observed. According to general numerical analysis, it is defined as ideal design parameters and constructed design diagrams. The design parameters include period, period ratio between two vibration units, stiffness, damping coefficient, workless length, damping ratio and so on.
The partial components of bridges obtain nonlinear behavior during the strong ground motion, so this study is based on the nonlinear dynamic analysis building nonlinear analytic models. The nonlinear components include isolated bearing, plastic hinge and unseating prevention device, etc. The simplified models of bridges to a large amount of numerical analysis are established so that reducing the time cost and discussing the effects of varied parameters based on dynamic responses completely.
Analytic results show that the type of unseating prevention devices approximate the damper element within the suitable workless length, it is able to reduce dynamic responses. As the dampers between superstructures and piers are installed within bridges whose natural period of the first mode is less than 1.2 seconds, they are helpless to dissipate energy. When the natural period is more than 1.2 seconds, it is suitable using dampers to reducing dynamic responses.

關鍵字(中)

★ 防落裝置
★ 不工作長度
★ 阻尼器
★ 非線性動力分析

關鍵字(英)

★ unseating prevention device
★ workless length
★ damper
★ nonlinear dynamic analysis

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 本文內容 4
第二章研究理論與方法 7
2.1 高阻尼橡膠支承墊 7
2.2 鋼筋混凝土橋柱塑鉸之非線性行為模擬 9
2.2.1 Takeda Model 9
2.2.2 Q-Hyst Model 11
2.2.3 Pivot Model 11
2.3 阻尼模型與開孔元素之數值模型 14
2.3.1 麥斯威爾模型(Maxwell Model) 15
2.3.2 凱文模型(Kelvin Model) 16
2.3.3 開孔元素 16
2.4 多自由度系統非線性動力歷時分析 17
第三章數值分析模型 21
3.1 目標橋梁 21
3.2 上部結構與下部結構模擬 22
3.3 鋼筋混凝土柱之塑鉸模擬 23
3.4 高阻尼橡膠支承墊模擬元素 24
3.5 防落裝置模擬元素 25
3.6 簡化分析模型 26
3.7 結構動力歷時分析 27
第四章參數分析結果與討論 29
4.1 簡化分析模型之驗證 29
4.2 不同周期橋梁動力反應比較 30
4.3 防落裝置之參數分析 31
4.3.1 純線性彈簧 31
4.3.2 純線性阻尼 35
4.3.3 麥斯威爾模型 (Maxwell Model) 38
4.3.4 凱文模型 (Kelvin Model) 39
4.3.5 具開孔之壓縮拉伸型彈簧 39
4.3.6 具開孔之阻尼 42
4.4 增設於橋墩與上部結構間之黏滯性阻尼器 44
第五章結論與建議 47
5.1 結論 47
5.2 建議 49
參考文獻 51

表目錄
表 2. 1高阻尼橡膠支承墊之有效勁度係數 55
表 2. 2高阻尼橡膠支承墊之有效阻尼比係數 55
表 3. 1橋梁模型節點資料 56
表 3. 2橋梁模型桿件資料 57
表 3. 3橡膠支承性質資料 58
表 3. 4簡化分析模型桿件節點性質 58
表 4. 1不同周期橋梁最大變位反應 59
表 4. 2上部結構間最大相對位移 60
表 4. 3各周期橋梁第一振態臨界阻尼 60

圖目錄
圖 2. 1高阻尼橡膠支承墊 61
圖 2. 2 Takeda model非線性法則 62
圖 2. 3 Q-Hyst model非線性法則 63
圖 2. 4 Pivot model非線性法則 64
圖 2. 5 Pivot參數與鋼筋比、軸向載重比關係圖 65
圖 2. 6 (a) Q-Hyst model (b) Pivot model之卸載勁度 66
圖 2. 7 (a) Q-Hyst model (b) Pivot model之再加載勁度 67
圖 2. 8開孔元素之力與位移關係 68
圖 2. 9可壓縮拉伸開孔元素之力與位移關係 68
圖 3. 1 含高阻尼橡膠支承之三跨連續橋及其相鄰橋梁 69
圖 3. 2上部結構斷面圖 69
圖 3. 3鋼筋混凝土橋墩 69
圖 3. 4基礎土層資料 70
圖 3. 5有限元素分析模型 71
圖 3. 6下部結構之分析模型 72
圖 3. 7橋墩柱底彎矩與轉角關係圖 73
圖 3. 8高阻尼橡膠支承雙線性遲滯迴圈 73
圖 3. 9防落裝置分析模型 74
圖 3. 10簡化分析模型 75
圖 4. 1整體分析模型隔震支承遲滯迴圈圖 76
圖 4. 2整體分析模型柱底塑鉸遲滯迴圈圖 77
圖 4. 3簡化分析模型隔震支承遲滯迴圈圖 78
圖 4. 4 簡化分析模型柱底塑鉸遲滯迴圈圖 78
圖 4. 5目標橋梁上部結構位移歷時圖 79
圖 4. 6相鄰橋梁上部結構位移歷時圖 79
圖 4. 7上部結構變位歷時圖 80
圖 4. 8橋墩正規化韌性需求—純線性彈簧 81
圖 4. 9上部結構正規化最大變位—純線性彈簧 82
圖 4. 10支承正規化最大變形—純線性彈簧 83
圖 4. 11上部結構間正規化最大相對位移—純線性彈簧 84
圖 4. 12 上部結構位移歷時圖(未含防落裝置) 85
圖 4. 13橋墩韌性需求歷時圖(未含防落裝置) 86
圖 4. 14 支承變形歷時圖(未含防落裝置) 87
圖 4. 15上部結構位移歷時圖(含防落裝置)(k=10000 tf/m) 88
圖 4. 16橋墩韌性需求歷時圖(含防落裝置) (k=10000 tf/m) 89
圖 4. 17支承變形歷時圖(含防落裝置) (k=10000 tf/m) 90
圖 4. 18 位移、速度與加速度相位 91
圖 4. 19上部結構位移與加速度運動方向示意圖—純線性彈簧 91
圖 4. 20 柱底塑鉸遲滯迴圈圖(未含防落裝置) 92
圖 4. 21柱底塑鉸遲滯迴圈圖(含防落裝置) (k=10000 tf/m) 92
圖 4. 22支承遲滯迴圈圖(未含防落裝置) 93
圖 4. 23支承遲滯迴圈圖(含防落裝置) (k=10000 tf/m) 93
圖 4. 24加速度反應譜 (PGA=1g) (ξ=5%) 94
圖 4. 25橋墩正規化韌性需求—純線性阻尼 96
圖 4. 26上部結構正規化最大位移—純線性阻尼 97
圖 4. 27支承正規化最大位移—純線性阻尼 98
圖 4. 28上部結構間正規化最大相對位移—純線性阻尼 99
圖 4. 29整體結構能量歷時圖(Chichi earthquake) 100
圖 4. 30整體結構能量累計歷時圖(Chichi earthquake) 100
圖 4. 31上部結構速度與加速度運動方向示意圖—純線性阻尼 101
圖 4. 32目標橋梁橋墩正規化韌性—麥斯威爾模型 102
圖 4. 33相鄰橋梁橋墩正規化韌性—麥斯威爾模型 103
圖 4. 34目標橋梁上部結構正規化最大位移—麥斯威爾模型 104
圖 4. 35相鄰橋梁上部結構正規化最大位移—麥斯威爾模型 105
圖 4. 36目標橋梁支承正規化最大變形—麥斯威爾模型 106
圖 4. 38兩相鄰橋梁正規化最大相對位移(Opening)—麥斯威爾模型 108
圖 4. 39兩相鄰橋梁正規化最大相對位移(Closure)—麥斯威爾模型 109
圖 4. 40阻尼係數與勁度之關係圖 110
圖 4. 41目標橋梁橋墩正規化韌性—凱文模型 113
圖 4. 42相鄰橋梁橋墩正規化韌性—凱文模型 114
圖 4. 43目標橋梁上部結構正規化最大位移—凱文模型 115
圖 4. 44相鄰橋梁上部結構正規化最大位移—凱文模型 116
圖 4. 45目標橋梁支承正規化最大變形—凱文模型 117
圖 4. 46相鄰橋梁支承正規化最大變形—凱文模型 118
圖 4. 47兩相鄰橋梁正規化最大相對位移(Opening) —凱文模型 119
圖 4. 48兩相鄰橋梁正規化最大相對位移(Closure) —凱文模型 120
圖 4. 49目標橋梁橋墩正規化韌性—具開孔之壓縮拉伸型彈簧 121
圖 4. 50相鄰橋梁橋墩正規化韌性—具開孔之壓縮拉伸型彈簧 122
圖 4. 51目標橋梁上部結構正規化最大位移—具開孔之壓縮拉伸型彈簧 123
圖 4. 52相鄰橋梁部結構正規化最大位移—具開孔之壓縮拉伸型彈簧 124
圖 4. 53目標橋梁支承正規化最大變形—具開孔之壓縮拉伸型彈簧 125
圖 4. 54相鄰橋梁支承正規化最大變形—具開孔之壓縮拉伸型彈簧 126
圖 4. 55上部結構位移與加速度運動方向示意圖—具開孔之可壓縮拉伸型彈簧 127
圖 4. 56 不工作長度設計限制(具開孔之可壓縮拉伸型彈簧) 128
圖 4. 57目標橋梁橋墩正規化韌性—具開孔之阻尼 130
圖 4. 58相鄰橋梁橋墩正規化韌性—具開孔之阻尼 131
圖 4. 59目標橋梁上部結構正規化最大位移—具開孔之阻尼 132
圖 4. 60相鄰橋梁上部結構正規化最大位移—具開孔之阻尼 133
圖 4. 61目標橋梁支承正規化最大變形—具開孔之阻尼 134
圖 4. 62相鄰橋梁支承正規化最大變形—具開孔之阻尼 135
圖 4. 63上部結構速度與加速度運動方向示意圖—具開孔之阻尼 136
圖 4. 64 不工作長度設計限制 (具開孔之阻尼) 137
圖 4. 65橋墩最大韌性需求 139
圖 4. 66上部結構最大變位 140
圖 4. 67支承最大側向位移 141
圖 4. 68橋墩最大韌性需求(等值圖) 142
圖 4. 69上部結構最大變位(等值圖) 143
圖 4. 70支承最大側向位移(等值圖) 144

參考文獻

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指導教授

李姿瑩(Tzu-Ying Lee)

審核日期

2008-11-4

推文