考虑桩径效应的桥梁结构地震风险分析

桩-土-结构相互作用是桥梁结构地震反应分析的重要问题,其中桩径效应不应忽略。以一座三跨连续梁桥为例,研究桩径效应对桥梁地震风险的影响。具体建立三种有限元模型:模型一是同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应;模型二是考虑桩-土-结构相互作用,但没有考虑桩径效应;模型三是墩底固结的简化模型。通过增量动力分析方法计算桥梁结构的地震易损性曲线和地震风险曲线,对三种模型的计算结果进行对比分析。结果表明,同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应的模型对应地震易损性与地震风险最高;墩底固结的模型对应地震易损性和地震风险最低。     

行波效应对深水连续刚构桥地震响应的影响

跨海或库区的大跨度桥梁在地震作用下不仅需要考虑水体与桥墩的动力相互作用,同时由于各桥墩间跨度较大应考虑地震输入的行波效应。该文采用辐射波浪理论求解桥墩地震动水压力,建立了考虑地震动输入空间效应的深水桥梁地震响应分析方法,并考虑行波效应对深水连续刚构桥进行地震响应分析。研究表明:动水压力增大了桥梁结构的地震响应,其影响程度随着输入地震波和墩梁约束条件的不同而有所差异;考虑行波效应时地震动水压力对桥梁结构动力响应的影响较一致激励而言有所差别,同时地震动水压力对桥梁地震响应的影响随着视波速的不同而变化。由此得出结论,为合理评价地震动水压力对深水长大桥梁动力响应的影响应考虑地震动输入的行波效应。     

近、远场强震下深水桥梁群桩基础的非线性响应及损伤特性

以某大型深水桥梁的群桩基础为对象,建立考虑动水效应和桩-土相互作用的非线性计算模型,以近、远场强震记录为输入,分析了不同水深下群桩基础的动力响应及损伤特性。可发现,近场地震下群桩基础的动力响应均大于远场,弯矩、剪力、位移的最大增幅分别出现在冲刷线以下不同深度处,轴力的最大增幅则出现在桩顶处,弯矩、剪力、位移和轴力的最大增幅分别为150.6%、227.2%、333.4%和64.2%。近场地震下,墩底、桩顶是主要易损部位,当PGA=0.38g和0.6g时,桩顶损伤指数分别为0.19和0.40,损伤水平及范围随地震动强度增加而增大,随水深增加而略有增大;远场地震下,群桩基础主要处于弹性状态。由于桩周土的约束作用,一定深度的土层交界处也可能出现桩基损伤,且损伤程度会随地震动强度的增加而增大,并向两端扩散。对比表明,近场地震下深水群桩基础的动力响应及损伤均明显大于远场,表明脉冲型近断层地震动具有更高的变形和耗能需求,应在深水桥梁的抗震设计尤其是基础延性设计中予以重视。     

考虑变量相关性的桥梁时变地震易损性研究

为研究变量相关性对桥梁时变地震易损性的影响,引入Nataf变换和均匀设计,提出了一种考虑变量相关性的桥梁时变地震易损性分析方法。以一多跨连续梁桥为研究对象,基于OpenSees建立其非线性分析模型,考虑氯离子侵蚀引起的钢筋直径及面积的退化,基于OpenSees截面非线性分析及单条地震波的非线性地震响应分析,探讨了氯离子侵蚀对桥梁抗震能力和地震需求的影响。然后,考虑桥墩、铅芯橡胶支座(LRB)、板式橡胶支座(PETB)和桥台等构件的地震损伤,建立了桥梁时变地震易损性曲线;最后,针对结构参数变量相关性对桥梁抗震能力、地震需求和时变地震易损性曲线的影响进行了定性分析。研究结果表明:①氯离子侵蚀会导致桥墩截面极限抗弯承载能力下降,而截面极限曲率、延性能力却略有提升;②考虑由氯离子侵蚀引起的纵筋锈蚀后,桥梁墩底截面弯矩需求有一定程度的下降,而墩顶位移和墩底截面曲率延性需求却有所增大,桥梁在不同损伤状态下的损伤超越概率会随服役时间的增加而增大;③该方法可较好处理结构参数变量相关性,并且考虑变量相关性后,在全寿命设计基准期内,桥墩截面极限抗弯承载能力有所提升,而墩顶位移、墩底截面弯矩和曲率延性需求则有一定程度的下降;④忽略变量相关性条件的影响,可能会高估桥梁结构的时变地震易损性。     

基于耗能系梁的双肢高墩刚构桥减震控制研究

双肢高墩刚构桥是一种常见的大跨公路桥梁,墩高多大于40 m,在强震下往往会进入塑性,墩-梁固结的结构特性使得地震发生时墩梁之间不会发生纵向相对位移,所以阻尼器或者减隔震支座在刚构桥上应用较少。由于双肢高墩常设置钢筋混凝土系梁来降低计算长度进而提高其在荷载作用下的稳定性,将传统的钢筋混凝土系梁用新型耗能系梁来代替,通过弹塑性动力时程分析研究了近远场地震作用下耗能系梁对双肢高墩刚构桥的减震控制效果。研究结果表明:地震作用下,常规的梁-台间隙实际上限制了高墩刚构桥的墩顶纵向位移响应,进而限制了墩底塑性铰的发展,梁-台碰撞和桥墩剪力为主要地震响应;远场地震动作用下,钢筋混凝土系梁虽会提高双肢高墩的耗能作用,但会增大墩底剪力,而耗能系梁能够有效防止梁端碰撞响应和降低墩底剪力;高墩刚构桥在近断层地震动输入下的梁端碰撞响应和墩底剪力响应均高于远场地震动,而耗能系梁的减震率仍较高。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁非线性地震响应分析

以干海子大桥第二联为原型,建立基于纤维单元的三维有限元简化模型,分析该钢管混凝土组合桁 梁-格构墩轻型桥梁在地震作用下的响应特性,讨论进入非线性后桥墩屈服顺序和内力重分布效应。通过与精细有限元模型、实桥测试、振动台试验比较验证了该文建立的简化单梁计算模型的正确性。以桥墩柱肢钢管边缘应变为判断标准,确定了水平最不利地震动输入方向为两端支座连线的法线方向,同时需要考虑竖向地震动的影响。通过地震响应分析表明,在设计地震动下桥梁处于弹性状态;进入塑性后,格构墩和复合墩以面内受力为主,轴力增幅小于地震动增幅,墩顶位移增幅大于地震动增幅;复合高墩面内弯矩增幅大于矮墩,有利于全桥的抗震。     

非规则梁桥横桥向地震碰撞反应分析

针对连续梁桥在横桥向地震作用下梁体与抗震挡之间的碰撞现象,建立了考虑支座非线性和墩柱弹塑性的碰撞模型。在此基础上,应用非线性时程方法分析了横桥向地震作用下非规则梁桥梁体与抗震挡之间的碰撞对结构横桥向地震反应的影响,探讨了减轻碰撞和限制相对位移的措施和方法。研究结果表明:梁体与抗震挡块间的碰撞不仅产生很大的撞击力,还会导致桥墩的地震需求增大,对结构抗震不利。通过在抗震挡内侧安装橡胶缓冲垫,可以极大地减小梁体与抗震挡之间的碰撞力,同时减小矮墩区桥墩的墩顶横向位移和墩底塑性转角,不显著增加高墩区桥墩的墩顶位移和墩底塑性转角。     

考虑水底柔性反射边界的深水桥墩地震动水压力分析

在深水桥墩地震动水压力分析中一般假定水底为完全反射边界,而忽略水底柔性介质对动水压力波的吸收作用。该文考虑水底柔性反射边界,基于辐射波浪理论,建立了深水桥墩地震动水压力的计算公式,深入分析了水底柔性反射边界对动水压力的影响。研究表明:水底柔性反射边界会在特定的荷载激励频率范围内对深水桥墩动水压力产生影响,且动水压力随水底反射系数的减小而减小,深水桥墩地震动水压力分析可以忽略水底柔性边界的影响。从而为长大桥梁地震灾变过程精细化模拟提供了理论依据。     

考虑土-桥台-上部结构相互作用的曲线桥抗震性能研究

对国内外历次地震中桥台震害进行了梳理。介绍了简化桥台模型、弹簧桥台模型、弹性梁单元桥台模型等几种针对城市桥梁桥台的典型数值模拟方法;以某立交G匝道曲线梁桥梁为工程背景,建立考虑土-桥台-上部结构相互作用的不同精细化程度的数值模型,开展人工地震动条件下的非线性动力时程反应分析,对比分析不同数值模型的计算误差;在此基础上选取合理数值模型,对桥梁曲率半径进行变参数研究,探讨墩底内力、墩梁相对位移以及台梁相对位移的变化规律。研究发现:提高土-桥台-上部结构相互作用的模拟精细化程度可以更准确地反映桥梁边墩的地震响应,特别是弹性梁单元桥台模型可综合考虑桥台的动力响应,值得推荐;考虑土-桥台-上部结构相互作用条件下,曲率半径越小,各桥墩横向内力及位移差异越明显,建议在进行曲线桥梁抗震设计中应予以重视。     

非线性桩-土作用对车桥耦合振动的影响研究

该文基于文克尔地基梁理论,利用修正的P-Y曲线法和荷载传递双曲线法,建立了桩-土非线性作用模型。采用了桩和土相对刚度来计算水平方向桩-土相互作用的初始刚度。通过Mohr-Coulomb法则得到土的极限抗力,并结合Matlock P-Y曲线法对极限抗力的表达式进行了修正,从而充分考虑了土的极限抗力的深度效应。编制了桩-土非线性梁单元有限元程序,建立了考虑非线性桩-土相互作用的车桥耦合模型。结合工程实例,分析了非线性桩-土相互作用的桥梁模型对车桥耦合响应的影响,并与墩底固结模型进行了对比。结果表明:在车桥耦合振动过程中,考虑非线性的桩-土相互作用,桥梁的横向位移幅值显著增大,竖向位移幅值增大,桥梁加速度幅值降低。此结果对处于软弱基础的高速铁路桥梁的分析和设计提供了参数和依据。     

基于概率地震需求分析的铅芯橡胶支座抗震性能研究

选取谱加速度为地震动强度参数,最大墩底弯矩为工程需求参数,对铅芯橡胶支座隔震简支梁桥和非隔震简支梁桥进行了概率地震需求分析,从概率的角度定量计算研究了铅芯橡胶支座在提高桥梁结构抗震性能上的作用。概率地震需求模型计算结果表明,隔震桥梁结构回归方程的斜率均小于非隔震桥梁结构回归方程的斜率,这反映出隔震结构对地震动强度改变的敏感性小于非隔震结构;场地危险性分析表明,在同一场地上,桥梁结构体系遭遇某水平谱加速度的超越概率,隔震结构小于非隔震结构,隔震支座的应用降低了桥梁结构对应的场地危险性;概率地震需求危险性分析表明,在本文设定的场地和结构参数下,铅芯橡胶支座隔震桥梁结构发生墩底纵筋屈服的年超越概率远小于非隔震结构相应的概率。本文的研究表明,概率地震需求分析方法作为一种基于概率的定量分析方法,可以用于不同结构体系的桥梁结构抗震性能的评价上。     

考虑SSI三种效应的桩基础RC梁式桥抗震性能评估方法研究

桩-土-桥动力相互作用是桥梁抗震研究的热点和难点问题,需合理考虑地基土柔度效应、运动学效应及阻尼效应的影响。本文采用基于性能点轨迹法的结构非线性静力分析方法,引入FEMA440针对土-结相互作用运动学效应、地基阻尼效应的地震动需求谱修正算法,探讨建立综合考虑桩-土相互作用三种效应的桩基础RC桥梁的抗震性能评估方法。以某高速公路RC连续梁桥为算例,分别以三种设计谱及相应的人工波为输入进行非线性静、动力方法验算对比,两个水准下的计算结果表明本文建议方法在补充考虑后两种效应后,地震响应略小于以考虑第一种效应为主的动力时程法,所建议方法能用于有效评估桩基础桥梁在预期地震需求下的抗震性能。     

多幅框架式曲线梁桥地震损伤分析

为了探索具有铰接构造的多幅框架式曲线梁桥地震损伤特性,通过OpenSees地震工程分析平台建立该类型桥梁的非线性动力模型,应用非线性时程分析研究该桥型的地震反应特征,探讨了结构整体布置和主梁转动惯量对该桥型框架整体振动过程及桥墩损伤程度的影响;同时建立橡胶支座的弹塑性剪切失效模型,探讨了桥台支座的破坏形式。研究结果表明:在地震荷载下,非对称的多幅框架式曲线梁桥各幅框架振动不一致;桥梁两侧较矮墩的墩顶和墩底的地震反应最大,容易产生钢筋屈服现象;桥台处的橡胶支座纵向变形较大,有发生剪切失效破坏的可能。桥墩的对称布置有利于各个框架间的整体振动;主梁转动惯量极大地影响较高墩横向地震损伤的程度。     

近断层地震作用下曲线桥碰撞效应及影响试验研究

为明晰近断层地震动作用下曲线梁桥碰撞效应及其影响,以某小半径带坡匝道桥为对象,设计制作1/10缩尺模型及可调式碰撞测试装置,选取同次地震中近断层和远场地震动输入,完成了单向和双向激励条件下试验模型桥的振动台试验。结果表明:与远场地震动相比,近断层地震动作用下曲线梁桥的碰撞效应(碰撞次数和碰撞力)有较为显著的增加,而碰撞效应的增大会增大支座的位移响应,进而增加支座失效或落梁风险,且双向地震动影响更大;碰撞对边墩和中墩沿碰撞力方向的切向位移峰值增加显著,对碰撞力方向上试验模型桥的墩顶有效均方根位移响应均有放大作用,碰撞会增加试验模型桥桥墩的破坏风险。曲线桥抗震设计中应考虑近断层地震动诱发的碰撞效应影响。     

规则连续梁桥地震易损性研究

基于位移延性比探讨规则连续梁桥在不同损伤状态下的结构性能控制指标;基于OpenSees平台采用纤维模型建立结构动力分析模型,选取100条强震记录通过非线性时程反应分析计算结构地震易损性曲线。研究不同墩高、支座形式及配箍率对结构地震易损性影响,结果表明,连续梁桥的地震易损性受延性发育程度影响较大,发生中等与轻微破坏概率较相近,对严重破坏有较好的耐损性;结构耐损性随墩高的增大而增加;采用板式橡胶支座可显著提高矮墩桥梁的耐损性,对高墩则有限;配箍率对结构早期损伤影响较小,对防倒塌能力影响较大。     

脉冲型地震作用下独塔自锚式悬索桥碰撞响应试验研究

为了研究脉冲型地震作用下考虑碰撞效应时自锚式悬索桥的地震响应,以某独塔自锚式悬索桥为原型,设计制作了缩尺比为1∶20的试验模型,并选取三条具有不同脉冲周期的近断层脉冲型地震波,利用多子台地震模拟振动台台阵系统,进行了一致激励及行波激励下的对比试验。结果表明:一致激励下梁端碰撞效应会显著增加边墩墩底变形,但会不同程度降低支座的位移响应,且碰撞效应随碰撞间隙的增加先增强后减弱;行波激励会加剧梁端碰撞作用,使碰撞效应对边墩墩底变形和主塔塔底变形的放大作用更显著;脉冲型地震动的脉冲周期与悬索桥基本周期越接近,碰撞效应越强,对边墩墩底变形及主塔塔底变形的放大效应越显著,但对支座位移降低程度的影响不明显;因此,对自锚式悬索桥进行抗震或减震设计时应当考虑碰撞效应、行波效应及地震动脉冲特性的影响。研究成果可为桥梁结构的碰撞响应研究提供参考。     

高速铁路简支梁桥地震反应特性研究

近年来高速铁路建设方兴未艾,地震作用下的高速铁路桥梁动力响应问题日益引起公众及研究者关注。基于有限元法,建立了高速铁路多跨简支梁桥的杆系单元全桥空间分析模型和单墩实体模型,利用有限元软件及弯矩-曲率关系程序,计算了不同地震强度、不同地震荷载组合下高铁桥梁在是否考虑桩土作用、不同车速以及不同墩高等工况下的弹塑性地震反应,分析了不同参数影响下的地震反应特性。计算与分析结果表明: 地质条件较好的情况下,桩土作用对地震响应的影响较小,可以采用简化方法考虑桩土作用;随着地震强度、车速和墩高等参数的增加,桥梁动力响应相应增加;地震波频谱特性对结构地震响应影响较大;桥墩在罕遇地震作用下会进入弹塑性状态,塑性铰在墩底形成,应加密墩底横向钢筋以保证其塑性变形能力。     

隔震体系对摇摆自复位高墩工作性能的影响

为提高摇摆自复位高墩的隔震性能,将铅芯橡胶支座及液体黏滞阻尼器与摇摆自复位高墩进行组合形成了2种不同的隔震体系。以2种不同强度下的3条地震动作为输入,采用OpenSEES利用动力时程分析方法对各隔震体系的地震动响应进行了分析。通过对墩身最大剪力、墩身最大弯矩、墩顶最大位移和主梁最大位移的隔震指标及最大墩梁相对位移绝对值的对比发现:墩梁固结条件下在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系2和墩、梁间设置铅芯橡胶支座且在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系3分别适合作为软土场地和硬土场地上修建的摇摆自复位高墩的隔震体系。     

考虑氯离子侵蚀的高墩桥梁时变地震易损性分析

以一高墩大跨连续刚构桥为例,基于OpenSees 程序建立其非线性分析模型。考虑氯离子侵蚀引起的钢筋直径和屈服强度退化,根据截面非线性分析结果探讨了氯离子侵蚀效应对高墩抗震能力的影响。通过单条地震波的非线性时程地震响应,定性地研究了氯离子侵蚀效应对桥梁地震需求的影响。然后输入15 条地震波进行多次增量动力分析,采用对构件能力需求比(Demand/Capacity)进行对数回归分析的方法形成了桥梁的时变地震易损性曲线,对高墩桥梁的时变抗震性能进行评估。分析结果表明:氯离子侵蚀效应会导致高墩屈服弯矩下降,而延性能力略有提高;考虑纵筋锈蚀以后,高墩的位移需求和曲率需求则会显著增加;在桥梁全寿命设计基准期内,结构在不同损伤状态的地震易损性随桥梁服役时间增加而增大。