铁路桩基础桥墩墩底摇摆隔震机制及抗震设计方法研究

近年来,基底摇摆隔震受到国内外学者的广泛关注,由于该方法从结构底部切断了地震传力路径,因而具有隔震效果好,震后可实现自复位的优点。本文针对墩底摇摆隔震问题,通过试验和数值方法研究其摇摆隔震机制及抗震设计方法,为墩底摇摆隔震桥墩在铁路桩基础桥梁中的运用提供依据。(1)基于前期关于铁路高墩桥梁墩底摇摆隔震方法的研究基础,通过对现有铁路桩基础桥墩的设计进行改进,提出一种带有限位耗能钢筋的墩底摇摆隔震方法,并与自由摇摆隔震和无黏结预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震的方法进行了对比,阐述了3种不同摇摆模式桥墩的隔震原理。(2)通过拟静力试验获得了3种不同摇摆隔震桥墩的初始刚度、提离荷载、极限荷载。分析了摇摆隔震桥墩的滞回特性和耗能机制,并研究了预应力防倾覆钢筋和限位耗能钢筋的约束效应及其对摇摆隔震桥墩的抗倾覆能力的影响。结果表明,自由摇摆桥墩摇摆过程中存在抗倾覆能力不足的问题,限位耗能钢筋约束摇摆隔震桥墩具有刚度较大且耗能性能较好的优点,预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震桥墩具有较好的自复位性能。(3)通过振动台试验获得了3种摇摆隔震桥墩在不同的地震波输入条件下的地震响应,包括墩顶水平加速度、水平位移和加台的竖向提离加速度、提离位移。分析了限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋对桥墩提离摇摆反应的影响。结果表明,自由摇摆隔震桥墩的摇摆反应过大,且碰撞效应明显,不利于桥梁抗震;限位耗能钢筋摇摆隔震桥墩约束效应强,可以明显减小墩顶摇摆幅度;而预应力防倾覆钢筋既可以控制摇摆幅度,同时具有自复位的功能。限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋摇摆隔震桥墩的隔震效果均较好,能满足设计要求。(4)结合试验结果,提出了可模拟有限位耗能钢筋的摇摆隔震桥墩的四弹簧计算模型。同时利用两弹簧、三弹簧和四弹簧模型分别模拟了3种墩底摇摆隔震桥墩,建立了有限元分析模型,进行了Pushover和动力响应数值分析。分析结果与模型试验结果的骨架曲线吻合度较高。动力响应分析结果与振动台试验得到的加速度、位移试验曲线也具有较好的吻合度。表明了本文采用的弹簧模型能够在一定程度上模拟摇摆隔震桥墩在地震作用下的力学性能。(5)基于模型试验和数值分析结果,针对本文的3种墩底摇摆隔震桥墩提出了关键构件(加台、限位耗能钢筋、预应力防倾覆钢筋)的抗震设计原则。验证了一弹簧分析模型(转动弹簧模型)可以用于桥墩的墩底摇摆隔震简化计算。给出了为防止基础提离时局部混凝土压碎而增设的加台底钢板尺寸的计算公式。提出了摇摆隔震桥墩桩基础的计算模型。通过对原型桥墩进行抗震计算,分析了摇摆隔震桥墩与非隔震桥墩及基础的地震反应,讨论了隔震前后桩基础配筋率的变化。结果表明,隔震后的桩身只需配少量的钢筋即可满足抗震设计要求。     

钢筋混凝土空心矩形桥墩振动台试验

通过地震模拟振动台试验研究了钢筋混凝土空心矩形桥墩的抗震性能,以某空心矩形桥墩为原型设计了2个具有不同配箍率的空心矩形桥墩模型试件,并对其进行地震模拟振动台试验,选取El Centro波、Taft波和人工兰州波作为地震动激励,分析了各工况荷载下桥墩顶部的加速度响应、动力放大系数和墩顶位移响应等参数;利用大型通用有限元软件ABAQUS建立了桥墩有限元模型,将试验采集的加速度和位移响应同有限元计算结果进行对比分析。结果表明:2个模型试件均具有良好的抗震性能;不同地震波激励作用下,桥墩顶部加速度和位移响应不同;配箍率越高,墩身裂缝分布越密集,裂缝宽度越小;配箍率对加速度和速度响应无显著影响;验证了利用ABAQUS软件建立的有限元模型的可行性。     

不同类型地震动作用下双柱墩梁桥的隔震控制

远场类谐和地震动更易引起桥梁破坏,为此,以某双柱墩梁桥为结构,分别建立抗震模型与隔震模型,分析其在远场类谐和地震动与普通地震动下的动力响应,揭示隔震后主梁、墩柱和支座的地震响应变化。此外,分析SSI效应时隔震梁桥的主梁位移、桥墩弯矩和剪力以及墩顶位移变化规律。结果表明;远场类谐和地震动下隔震可减少主梁纵桥向位移防止主梁与桥台碰撞,当类谐和地震动峰值加速度较大时,隔震梁桥桥墩横桥向地震响应较抗震结构会有所增大,带来不利影响;考虑桩-土作用的梁桥墩-系梁连接点纵向弯矩随着桩-土刚度减小而增大,墩-系梁连接点容易发生纵向弯曲破坏。     

基于不同隔震体系的预制拼装桥墩桥梁结构 地震响应分析

为了研究预制拼装桥墩桥梁结构的地震响应,基于OpenSEES有限元分析软件建立墩顶隔震和墩底隔震的预制拼装桥墩连续梁桥分析模型; 通过分析桥梁模型在3组不同强度、不同特性地震动激励下的动力特性、位移、内力、残余位移、预应力筋预应力、接缝压力等参数的变化,对隔震体系的隔震效果进行评估并给出了墩底隔震桥梁的设计建议。结果表明:预制拼装桥墩连续梁桥采用墩顶隔震体系和墩底隔震体系均可以大幅减小桥梁在地震中的位移和内力,延长桥梁自振周期; 采用墩梁固接、墩底隔震的桥梁结构相比于直接采用隔震支座连接墩梁的桥梁结构具有更长的自振周期、更小的震中位移和墩顶残余位移,表现出更好的隔震效果,在大地震中墩底隔震体系隔震优势更加明显; 采用墩底隔震体系的桥梁预制拼装桥墩会有更大的预应力变化、预应力损失和接缝竖向压力,因此隔震支座也应具备更高的性能。     

速度锁定型摩擦摆减隔震桥梁振动台试验研究

提出了一种速度锁定型摩擦摆隔震支座,通过1/15比例的三跨连续桥模型结构的振动台试验,比较分析了不加装速度锁定装置、仅中墩加装速度锁定装置以及全部桥墩加装速度锁定装置三种情况下摩擦摆支座的减隔震效果。结果表明,在地震作用下,加装速度锁定装置后,结构的加速度反应有所增大,位移反应得到减小,活动墩参与承受水平力且其墩顶剪力比较接近,固定墩的墩顶剪力显著减小,结构的抗震性能得到明显改善。     

滑动摩擦支座隔震桥梁地震反应分析

多滑面摩擦隔震支座具有刚度和阻尼的自适应性,在基于性能的桥梁抗震设计中有广泛的应用前景。本文以某近海连续梁桥为工程背景,考虑海洋软土条件,应用p-y法模拟桩-土相互作用,通过单摩擦摆（FPS）串联组成多滑动面摩擦摆支座（MFPS）模型,并建立全桥有限元模型。采用反应谱法和快速非线性分析（FNA）两种方法,对设置单滑面摩擦摆支座和多滑面摩擦摆支座的两种不同支座的隔震桥梁体系进行地震响应分析。对比分析两种方法得到的两种隔震桥梁结构的支座滞回性能和墩底剪力等的地震响应规律。研究结果表明,两种支座均具有较好的隔震效果,采用MFPS支座的桥墩的地震响应比FPS支座有所减小,且具有较大位移能力。     

铁路圆端空心高墩振动台模型试验研究

为研究不同水准地震下铁路圆端空心高墩震损模式和动力响应特征,以单线铁路40m圆端空心墩为研究对象,进行了3个1/6缩尺桥墩模型振动台试验,并与同类桥墩拟静力试验比较。结果表明：地震下桥墩损伤模式与拟静力结果存在显著差异,相同墩顶位移角下动力试件裂缝沿整个墩身分布,而拟静力试件裂缝主要集中在约2/3墩高范围内;振动台试件除在墩底倒角上缘附近形成明显塑性区域外,受高阶振型影响,墩身中上部仍出现较密集裂缝,为圆端空心高墩潜在塑性铰区;随着输入地震动PGA的增加,桥墩阻尼比、加速度、位移及应变响应增大,损伤累积导致自振频率和墩顶动力放大系数减小;桥墩在0.15g～0.2gPGA下开裂,0.45g～0.5g时首次屈服,0.55g～0.6g时进入等效屈服,最大工况0.8g或0.9gPGA下墩顶位移角为1.18%～1.48%,此时构件进入非线性状态;罕遇地震下试件DB-2(体积配箍率ρs=1.268%)抗震性能最优,试件DB-1(体积配箍率ρs=0.630%)次之,试件DB-3(体积配箍率ρs=0.270%)延性较差、易发生脆性破坏。     

基于SMA—橡胶支座和碟形弹簧的球面网壳结构多维隔震

球面网壳结构是典型的大跨度空间结构,地震时水平和竖向地面运动分量对其地震响应的影响均十分显著。为了提高其抗震性能,采用SMA—橡胶支座和碟形弹簧形成分段隔震机制以降低结构的多维地震响应。本文建立了SMA—橡胶支座和碟形弹簧的隔震计算模型。进而,根据球面网壳结构多维隔震的动力方程,针对某单层球面网壳结构,开展了其在不同地震作用下的多维隔震控制研究。由时程响应的数值模拟结果可见,多维隔震网壳结构的杆件内力、加速度响应和位移响应较无控结构有了显著的降低,从而验证了所提出的多维隔震技术对于保护球面网壳结构免遭地震灾害破坏的有效性。     

三维隔震振动台试验研究

震中大分量水平与竖向地震作用导致大量建筑结构破坏。目前,隔震系统仅能减小水平地震作用,而三维隔震系统可有效控制结构的竖向和水平反应而减轻地震灾害。由于三维隔震系统竖向和水平自振频率低,三维地震作用下,结构摇摆反应难以控制。为解决这一难题,设计了一种新型的三维隔震系统,该系统包括水平隔震层和竖向隔震层,抗摇摆装置安装在竖向隔震层中用于控制结构摇摆反应。为验证该三维隔震系统性能,对二层钢框架结构模型进行了振动台试验研究。振动台试验结果表明,三维隔震技术能有效减小上部结构响应,并大大提高建筑结构的抗震安全性。     

基于振动台试验的曲线桥梁抗震性能研究

为了研究S形曲线梁桥在地震作用下的动力响应及抗震性能,设计并制作一座相似比为1/20的S形曲线梁桥进行振动台试验研究。结果表明:在地震作用下,S形曲线梁桥的梁体未有明显损伤,桥墩出现裂缝,支座破坏严重;在墩底屈服之前,墩梁已发生较大相对位移,桥梁极易发生落梁破坏现象;桥墩在大震作用下的扭转耗能作用十分明显。在振动台试验基础上,对S形曲线梁桥提出一种"梁体漂浮抗震设计"的概念设计方法,为该类桥梁的抗震设计理论提供支持。     

钢筋-沥青隔震墩砌体结构足尺模型试验研究

针对广大农村低矮房屋抗震能力普遍不足的现状,根据基础隔震理论,在钢筋 沥青复合隔震层的基础上,提出了钢筋 沥青隔震墩。并以单层单开间砌体结构房屋为研究对象,进行了足尺模型拟动力试验。通过隔震墩上、下楼板布置的拾振器测得上下部加速度幅值,用其比值衡量减震效果。研究结果表明：在各种振动波输入下,隔震墩吸收了大部分的能量,隔震墩上部楼板加速度反应可以衰减到隔震墩下部楼板加速度反应的50%以下,具有较好的减震效果;随着振动频率的增大,水平两个方向加速度衰减系数也相应减小;而随着控制位移的加大,加速度衰减系数相应增大;从输入加速度大小方面分析则随加速度峰值的增大,加速度衰减系数有减小的趋势。     

梁端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能振动台试验研究

受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点,后张预应力钢筋提供结构整体恢复力,并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验,研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式,设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型,输入El Centro地震波,得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应,对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度,故其地震加速度响应更小;CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置,地震作用下的结构整体位移得到有效控制;在经历罕遇地震作用后,仅层间阻尼器进入屈服状态,主体框架承重构件保持完好,无任何损伤,表现出优异的“免损伤”特征。     

螺纹钢法兰连接预制装配桥墩抗震性能研究

为研究在水平荷载作用下螺纹钢法兰连接预制装配桥墩的抗震性能,设计制作一个整体现浇桥墩、两个分别采用承插式和非承插式方案的螺纹钢法兰连接预制桥墩。通过开展拟静力加载试验,对比研究螺纹钢法兰连接预制装配桥墩与整体现浇桥墩的破坏模式、荷载 位移曲线特征。基于试验,建立三个桥墩的有限元数值模型与试验进行对比,两者结果吻合较好。研究结果表明：螺纹钢法兰连接预制装配桥墩的水平承载力均能达到整体现浇桥墩的水平;预制装配桥墩最终在法兰与墩柱交界面上部形成塑性铰,相较于整体现浇桥墩上移一个法兰高度;螺纹钢法兰连接预制装配桥墩的残余位移要比整体现浇桥墩小,具有一定的自复位能力;采用承插式方案的预制装配桥墩耗能能力和位移延性最好,且具有较高的初始刚度,而非承插式连接预制装配桥墩的耗能能力和延性最差,刚度最小;相比较而言,承插式螺纹钢法兰连接预制装配桥墩整体性和抗震性能均优于非承插式螺纹钢法兰连接预制装配桥墩。基于上述结果,可对螺纹钢法兰连接预制装配桥墩的设计和应用提供参考。     

矮墩大跨连续梁体系桥纵向减隔震设计

以上海大治河桥为实例,分析了矮墩、大跨连续梁体系桥的结构动力特性与地震易损性一般规律。重点探讨了矮墩、大跨连续梁体系桥的纵向地震响应规律与合理抗震设计,并指出了该类桥梁不适宜按延性抗震进行设计。按结构纵向约束要求,提出了采用E型软钢阻尼器组的减隔震设计方案,并给出了具体的设计参数。从非减隔震设计与减隔震设计方案的结构抗震性能对比分析结果可以看出,减隔震设计体系可以有效缓解纵向固定墩支座、墩身以及基础地震惯性力大、构件能力匹配关系难以满足能力保护设计的特点,是矮墩、大跨连续梁体系桥纵向抗震体系的理想解决方案。     

基于ANSYS的大跨斜拉桥地震响应分析及性能评估

为研究西部高烈度地区大跨度斜拉桥的地震响应特点,以兰州市南绕城高速公路上一座跨径为177 m+360 m+177 m的结合梁斜拉桥为研究对象,利用有限元软件ANSYS建立其空间计算模型,分析了该桥的动力特性。运用非线性时程分析法计算桥梁结构在50年超越概率10%和2%两种地震水平作用下的地震响应,并以构件的能力需求比评估了该桥的抗震性能。结果表明:地震作用下主梁纵向振动与横向振动基本不耦合,其竖向位移受纵向地震作用影响较大;由于结构的非对称性,5#塔（南桥塔）的塔顶位移及塔底弯矩均大于4#塔（北桥塔）;在E1和E2两种水平地震作用下,各桥墩和桥塔关键截面以及斜拉索最小能力需求比均大于1,满足抗震性能要求;各桥墩纵桥向能力需求比小于横桥向,而桥塔纵桥向能力需求比大于横桥向,建议在过渡墩和辅助墩上安装减隔震装置,加强其纵桥向抗震性能。     

Higher-order mode effects on the seismic performance of tall piers

A comprehensive analysis was conducted to investigate the seismic performance of a typical tall bridge pier through incremental dynamical analysis (IDA). The effect of higher-order modes was studied specifically. The results showed that higher-order modes significantly contributed to the structural seismic response and should not be neglected. Including these modes resulted in an additional hinge midway up the pier. No plastic hinge would occur at this location for conventional bridge piers. Higher-order modes also led to an out-of-phase response between the hinge rotation at the pier bottom and the displacement at the top. This means that the displacement-based seismic design method cannot correctly predict the mechanical state of the critical hinge and therefore is not suitable for use in the seismic design of tall piers. Mistakenly using the displacement-based seismic design method for tall piers may result in a seriously unsafe condition.     

基于三维隔震的巨子结构多维地震反应分析

为解决高层结构三维隔震的难题,针对一种巨子结构和基于子结构三维隔震的巨子结构进行振动台试验和三维地震作用下的数值分析。首先介绍了巨子结构的原型结构、缩尺模型结构和振动台试验方案。随后进行了模型结构振动台试验,测量和分析了结构的地震响应,并与数值分析结果进行了对比。最后对原型结构进行了三维地震作用下的地震反应数值分析。试验及数值分析结果表明：在子框架底部设置三维隔震支座不同于基础隔震的形式和减震机理,但仍延长了整个结构的水平和竖向自振周期。数值分析结果与试验结果吻合较好,误差较小。隔震子框架对各类场地地震动作用下的主框架三维地震响应具有明显的调谐减震作用。三维隔震支座对各类场地地震动作用下的子框架三维地震响应具有显著的隔震作用。罕遇地震作用下的隔震层位移反应没有超过隔震缝宽,子框架不会与主框架发生碰撞。