地震作用下桥梁结构横向碰撞模型及参数分析

针对桥梁结构在地震作用下梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性时程积分法,研究了横向地震作用下梁体与挡块间的碰撞效应。通过对刚体碰撞模型分析,推导出阻尼常数与恢复系数间的关系表达式,在此基础上建立了能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞模型,并对碰撞刚度、初始间隙、恢复系数以及桥梁跨径等参数进行了影响分析。分析结果表明:最大撞击力随碰撞刚度和桥梁跨径的增大而增大,但随初始间隙的变化规律不明显;恢复系数对碰撞效应影响很大,忽略碰撞过程中的能量损失会高估碰撞反应。为减轻梁体与横向挡块间的碰撞效应,提出了挡块刚度的合理取值。     

地震作用下斜交简支梁桥桥面旋转反应的参数分析

地震引起的斜交简支梁桥桥面面内旋转不仅增大了梁体的纵、横向位移,而且增加了梁体与边界碰撞的几率。为研究地震作用下斜交简支梁桥桥面的旋转反应,利用OpenSees地震仿真模拟平台,建立考虑梁体与桥台间纵向碰撞、梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥简化动力计算模型,分析梁体与桥台间纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间碰撞刚度、初始间隙、挡块力学特性等对斜交简支梁桥桥面旋转的影响。结果表明：纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间初始间隙对斜交简支梁桥桥面转角的影响较大,而横向碰撞刚度对桥面转角的影响相对较小;梁两端锐角区设置纵向垫块对减小桥面转角和纵向位移有较好的效果;设置弹塑性挡块能有效控制桥面的震致转动,减轻挡块的横向受力。     

横桥向地震作用下简支梁桥偏心碰撞反应参数研究

汶川大地震中桥梁结构横向抗震挡块遭到严重破坏,其中部分是由于梁体与其发生碰撞所致。针对桥梁结构横向抗震挡块与梁体在强震作用下的碰撞现象,建立了考虑上部结构与挡块间偏心距、支座非线性和墩柱弹塑性的横桥向单墩碰撞模型。采用非线性地震反应时程分析方法,详细研究了偏心距、碰撞刚度、初始间隙、桥墩线刚度、上部结构与盖梁质量比、上下部结构周期比以及墩柱弹塑性等参数对桥梁结构横向地震反应的影响。结果表明：考虑偏心的碰撞进一步增强了系统的非线性,低高度梁(e<70cm)不考虑偏心碰撞分析可能导致不保守的结果,需引起重视。     

高铁简支梁桥横向地震碰撞效应振动台试验研究

地震作用下,当桥梁上、下部结构间的横向相对位移超过挡块-梁体或挡块-垫石间的初始间隙时,就会发生碰撞。为研究高铁简支梁桥在地震激励下的横向碰撞效应,以32 m标准跨径简支梁桥为研究对象,按1∶6缩尺比设计并制作了单跨桥梁模型。通过振动台试验研究了地震波频谱特性、地震动峰值加速度(PGA)、挡块-垫石初始间隙等因素对横向地震碰撞效应的影响,并探讨了在挡块与垫石间填充橡胶缓冲垫层的防碰减震效果及橡胶垫层的减震机理。试验结果表明:振动台试验再现了桥梁结构横向地震碰撞过程,在多遇地震作用下,固定支座未发生破坏,挡块与垫石之间没有出现碰撞现象;而在设计地震和罕遇地震激励下,固定支座出现破坏,多数工况发生了碰撞。挡块与垫石之间的碰撞限制了墩梁间横向相对位移的发展,但碰撞会激起结构的高频响应,增大墩底弯矩响应;橡胶缓冲垫层的设置会减小挡块与垫石间的碰撞刚度,降低由地震碰撞所引起的高频响应,从而达到减震的效果。     

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。     

挡块对斜拉桥横向抗震体系的影响

为探讨挡块限位装置对斜拉桥横向抗震体系的影响,以宁波大榭二桥为工程背景,采用非线性时程法分析比较了三种状况下斜拉桥的结构地震响应,即不考虑挡块的作用、考虑挡块的影响、挡块破坏后的效应等三种情况。研究表明：梁体与挡块的碰撞效应有利于改善斜拉桥在地震作用下的横向受力,降低控制横向设计的锚墩的响应需求;而挡块的破坏则会导致梁体侧向过大的位移,带来结构稳定和疲劳方面的隐患;通过在边墩和锚墩设置粘滞阻尼器可以改善结构的受力、限制梁体的侧移并使支座免于破坏,但增加了设计困难和建设造价,而设置足够强度的挡块值得推荐。     

地震作用下中小跨度梁桥横向碰撞参数影响分析

地震作用下挡块与主梁的横向碰撞是影响桥梁结构地震响应的重要因素,目前缺乏针对城市高架桥中广泛使用的双柱式小箱梁结构横向碰撞问题的研究。以此类桥梁的典型工程为代表,建立了空间有限元模型,利用Kelvin 模型对横向碰撞进行了准确模拟,重点探讨了接触单元刚度、挡块-主梁间隙、桥墩墩高、场地类别、上部结构与盖梁质量比等关键因素对双柱式小箱梁结构桥梁地震响应的影响。研究结果表明：碰撞刚度、碰撞间隙对双柱墩墩底内力有较大影响,应尽可能通过试验予以确定;场地特性、上部结构和盖梁质量比、桥墩高度等设计参数,均会对桥梁的地震受力产生较大影响,因而应在设计选型时进行适当的调整,并尽可能选择坚硬场地下高墩轻质主梁结构体系,研究成果可为同类高架桥的设计提供技术支持。     

碰撞对高铁简支桥梁横向地震响应影响的振动台试验研究

地震所导致的碰撞是影响桥梁结构地震响应的一个重要因素。该文以32 m标准跨径高铁简支梁桥为研究对象,按1/6缩尺比设计及制作了单跨桥梁振动台试验模型,并针对以往点-面接触碰撞测力装置不能真实反映原型结构碰撞接触形式的不足,设计了一种新型面-面接触的碰撞测力装置。通过振动台试验研究了桥梁模型在地震激励下的横向碰撞效应,并通过快速傅里叶变换（FFT）从频域角度分析了碰撞对桥梁结构横向地震响应的影响。结果表明:新型测力装置能够较为准确地测得挡块与垫石之间的碰撞力时程;挡块与垫石间的碰撞限制了墩梁间的横向相对位移的发展,但会放大桥墩墩底弯矩响应和梁体加速度响应。在不考虑挡块时,桥梁结构的地震响应功率谱在低频区（结构基频附近）具有较高的幅值,即地震响应主要受结构基频控制;而在设置挡块后,碰撞改变了地震响应的频率分布,在高频区的功率谱幅值明显增大。     

碰撞效应对非规则梁桥横向地震反应的影响

摘要：通过考虑上部梁体与防震挡块间的横向碰撞效应,采用线性和非线性时程分析法对非规则梁桥横向地震力的分布规律进行了对比研究。研究表明：板式橡胶支座的采用有利于减轻由于墩高不一致带来的非规则梁桥横向剪力分布不均的困扰,但同时增加了主梁与挡块间横向碰撞的机率;碰撞效应的考虑不仅使桥梁结构动力响应增大,而且造成各墩受力重新趋于不均。最后通过参数分析,探讨了不同碰撞条件下非规则梁桥横向地震力分布的变化规律,得到了有益的结论。     

考虑地震滑冲效应的高铁简支梁桥横向减震体系研究

对近断层地震滑冲效应作用下高铁简支梁桥横向碰撞响应及其减震体系进行了研究。以一座5跨32 m简支梁桥为背景，采用Abaqus软件建立全桥有限元模型。分析了远场地震和近断层地震滑冲效应作用下桥梁横向地震响应的差异，探究了传统抗震挡块的适用性；对比分析了“挡块+拉索”组合、全桥单独安装拉索限位器及单独安装减震榫等3种减震体系的减震效果。结果表明：与远场地震相比，近断层地震滑冲效应作用下传统抗震挡块完全失效，落梁风险显著增加；挡块与垫石间隙越小，“挡块+拉索”的减震效果越好；拉索限位器的减震效果随拉索自由程减小而提高；减震榫取最优刚度时，能够显著减小桥梁地震响应；综合比选，全桥单独安装减震榫的减震体系最佳。     

近断层地震下小半径曲线桥碰撞响应的振动台试验研究

为揭示小半径曲线桥相邻联碰撞导致的地震破坏机理,以某两联多跨小半径曲线桥为工程背景,开展振动台试验研究。分析在不同地震动下相邻联周期比变化对曲线桥梁端位移、墩梁相对位移、碰撞力等的影响规律;在近断层地震下,分析受独柱墩横桥向偏心效应影响时,邻梁碰撞对结构动力响应的变化规律。试验研究表明:近断层脉冲地震下,随着周期比的增大邻梁碰撞效应先增加后减小,在近断层非脉冲地震动及远场地震动下,随邻梁周期比减小地震碰撞响应逐渐增大;独柱墩在梁底的横向偏心会加剧地震作用下主梁运动形式的变化,导致扭转加大,横向位移明显,更易发生非均匀碰撞,加剧主梁的局部损坏。该文研究成果可为考虑碰撞的曲线桥抗震设计提供科学依据。     

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。     

可提离式桩基础规则连续梁桥的地震响应分析

以上海嘉闵高架桥为依托,利用OpenSees软件构建有限元分析模型进行非线性时程分析,对两种不同基础体系下的规则连续梁桥的主梁、墩柱、基础等的地震响应进行对比分析,并考虑墩高变化的影响。结果表明:基础提离设计,相较常规基础设计,会显著降低墩柱的纵、横向弯矩响应,改善墩柱的受力性能,纵向降幅为20.4%~32.0%,横向降幅为2.5%~23.8%;单桩的纵向弯矩响应减小,降幅达16.2%~40.0%;桩基最大拉力受到有效控制。基于新规范体系,评估了墩柱和基础在E2地震下的抗震性能,结果表明采用提离式桩基础的规则梁桥可有效降低墩柱、基础的地震需求。在E2地震下,墩柱均处于弹性状态,单桩配筋率相较常规基础体系梁桥可随墩高增加适当降低。     

纵向地震作用下大跨三塔悬索桥伸缩缝处双边碰撞效应研究

相邻桥跨间的碰撞效应是引起大跨桥梁引桥落梁的重要原因,本文以一座大跨三塔悬索桥为研究对象,建立了复杂的桥梁结构空间动力分析模型,采用非线性动力时程分析法,详细分析了大跨三塔悬索桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的双边碰撞对桥梁结构地震反应的影响规律,揭示大跨桥梁主、引桥结构振动周期比与碰撞效应的内在联系。研究结果表明：当一侧引桥基本周期小于或者接近主桥梁端位移控制振型周期,而另一侧引桥基本周期显著大于主桥周期时,双边碰撞使长周期侧的引桥固定墩墩底地震内力响应、梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应显著增大,而使短周期侧引桥梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应轻微减小。     

多维地震激励下人字形桥梁地震模拟振动台试验研究

为研究人字形桥梁在地震作用下的动力响应,以某人字形桥梁为原型,制作了一座相似比为1/20的模型桥梁,采用El-centro波对其进行了不同地震烈度的多维激励地震模拟振动台试验和有限元分析。研究结果表明：随着地震烈度的增加,模型结构自振频率降低阻尼比增大;桥墩墩顶顺桥向加速度响应基本不受竖向地震分量影响;计算桥墩墩底应变响应时进行水平双向地震激励即可满足要求;梁体跨中竖向加速度响应,主梁和分支梁间的伸缩缝宽度取值,伸缩缝处的碰撞响应等均与地震波输入维度有关。因此,对于人字形桥梁在进行抗震设计时应针对不同的设计目的对其进行选择性的多维地震激励。     

应用MR阻尼器的连续梁桥地震损伤控制方法

基于地震作用下连续梁桥的损伤破坏机理,利用MR阻尼器控制元件,建立了基于桥墩广义水平刚度比的阻尼器出力方案,提出了连续梁桥的非线性地震损伤控制方法。对某一联三跨连续梁桥进行地震损伤控制研究,采用IDA(Increasing Dynamic Analysis)方法对控制前后桥梁结构进行损伤分析,结果表明所提出的控制方法可以有效降低桥梁损伤,并使桥墩损伤趋于均匀,显著提高桥梁的抗震性能;对采用不同控制方案和不同设计传递系数的桥梁进行地震损伤分析,结果表明半主动控制方案对墩梁残余位移和桥墩损伤的控制效果优于PON(Passive On)控制,并且设计传递系数对控制效果影响较大,需合理选用。     

地震作用下板式橡胶支座滑动引起的城市立交中的动力耦合作用

地震作用下具有不同动力响应特征的桥梁不同部位之间存在显著的相互作用。在城市立交设计中板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递靠接触面摩擦作用。橡胶支座与墩顶、梁底接触面地震作用下可能会发生滑动。以城市立交工程中一多跨简支梁桥为例,按照实际结构构造充分考虑材料非线性及连接构件的非线性等因素,分别以弹塑性纤维模梁柱单元、空间滑动支座单元和接触单元模拟桥墩屈服、支座的滑动、相邻结构之间的碰撞,通过非线性时程分析综合分析了由于支座滑动导致大的支座位移,并由此引起的相邻构件之间的碰撞以及由于碰撞导致的桥墩屈服等动力响应之间的耦合作用。     

地震作用下曲线梁桥非均匀碰撞效应研究

曲线梁桥在地震作用下产生的不规则平面旋转位移使得应用碰撞单元法计算曲线梁体碰撞效应存在一定的局限性,为了探讨曲线梁桥地震碰撞效应的非均匀分布规律,提出了采用显式动力接触算法计算曲线梁桥地震碰撞效应的数值模拟方法,并分析曲线连续梁桥碰撞效应引起的主梁、挡块和桥墩的冲击地震反应特点。结果表明,主梁与桥台胸墙的碰撞作用限制了主梁的切向位移,使得固定墩墩底弯矩小于不考虑碰撞时的墩底弯矩。碰撞后梁端截面顶板正应力和曲线内外侧挡块径向应力的分布严重不均匀,梁端截面悬臂翼缘的正应力明显小于腹板间顶板的正应力,曲线外侧挡块的径向应力显著大于内侧挡块的径向应力。地震碰撞作用使得主梁的最大拉应力和压应力通常会发生在梁体曲线的内外侧。这为合理解释曲线连续梁桥在强震下的碰撞破坏震害现象提供了理论指导。