双柱式摇摆桥墩结构体系地震反应和倒塌分析

摇摆构造可将地震损伤控制在摇摆界面内,以避免主体结构损伤破坏,且具有较好自复位能力。为研究一种双柱式摇摆桥墩结构体系的地震反应,基于拉格朗日方程和动量矩守恒定理给出计算该双柱式摇摆桥墩结构体系动力反应的刚体动力分析模型,并进行了实例分析、参数分析和倒塌分析。研究结果表明：采用工程实际尺寸的双柱式摇摆桥墩结构体系可满足我国桥梁抗震设计规范的E2地震抗震设计需求;桥墩宽高比和尺寸的增大可减小结构体系的地震反应;给出在Ricker小波作用下的倒塌加速度谱和两种倒塌模式,以及倒塌模式过渡现象需要在抗震设计中得到重视的建议,并提出一种墩底扩大截面的抗倒塌措施。     

PC简支梁桥墩承受列车制动力的动力分析

本文提出了ＰＣ简支梁铁路桥制动力作用下的桥墩简化模型，并对３种跨度，不同墩高的圆端形重力式桥墩进行了非线性动力分析，确定了桥墩制动动力系数。     

墩身惯性力对墩底地震剪力的影响及计算方法EI北大核心CSCD

为探究考虑墩身地震惯性力贡献的墩底剪力简化计算方法,以某铁路简支梁桥为研究对象建立三维有限元模型,在分析了墩身质量对结构动力特性影响基础上,通过非线性时程分析方法研究了不同墩高、场地类型以及地震动峰值加速度(PGA)下墩身惯性力在桥墩地震剪力中的贡献比例,给出墩身惯性力在计算墩底地震剪力时不可忽略的判别条件;并采用模态Pushover分析法对墩底剪力进行简化计算,对结果的准确性加以验证。结果表明:桥墩进入塑性后,墩身惯性力对墩底剪力的贡献比例受场地类别影响小,主要影响因素为墩高,当墩高小于20 m时,可不考虑墩身惯性力作用,而采用能力保护设计理念计算墩底剪力;但当墩高大于20 m后,不应忽略桥墩自身的惯性力贡献,可按所提出的一阶模态Pushover方法简化计算墩底剪力。     

新型基底摇摆隔震桥墩柱抗震性能试验与分析

基底隔震结构已成为当前国际上研究新型结构抗震性能和开发新型结构抗震体系的热点方向之一。该研究提出了一种通过增设加台和高阻尼橡胶垫块的新型基底摇摆隔震桥墩模型,介绍了该新型基底摇摆隔震桥墩的具体构造细节,阐述了该桥墩的减隔震原理和优点,并通过振动台试验得出了该新型桥墩能够显著降低墩顶水平加速度和墩底应力值,但同时会增大墩顶水平位移的结论;过大的墩顶水平位移会影响桥墩的正常使用极限状态,以墩顶水平位移为设计控制要点,考虑墩柱在实际摇摆提离过程中的加台受压区宽度和墩柱弯曲变形的影响,通过静力平衡条件建立墩顶水平地震力F与墩顶水平提离位移δ的力学关系式,并引入位移动力放大系数β考虑实际桥墩墩顶动力位移Δ,使得其墩顶水平位移Δ满足铁路桥梁规范墩顶允许位移5 L数值要求。通过对理论推导关系式进行验证,结果表明理论推导的力学关系式和数值模拟结果整体上符合较好,并分析了存在偏差的主要原因。     

自复位双柱式摇摆桥梁抗震设计方法及工程应用

为了解决摇摆桥墩承载力和耗能能力不足的问题,该文提出一种附加人字形支撑的双柱式摇摆桥墩结构,支撑为纯耗能支撑或自复位耗能支撑,支撑通过连接装置安装在双柱式摇摆桥墩的盖梁和承台之间。为了研究新型附加人字形支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能,对其进行拟静力分析,将双柱式现浇桥墩和双柱式纯摇摆桥墩作为对比模型,研究附加纯耗能支撑和自复位耗能支撑双柱式摇摆桥墩的滞回性能;分别对这四种桥墩结构进行动力时程分析,探究这四种桥墩在近场对称脉冲、近场非对称脉冲和远场无脉冲地震动作用下的动力响应。研究结果表明：附加支撑的双柱式摇摆桥墩中的墩柱仍具有摇摆机制,可有效避免墩身出现塑性铰发生严重的损伤破坏,同时附加的支撑可以显著提高桥墩的承载能力和耗能能力,有效降低桥墩结构的位移响应,特别是自复位耗能支撑还可额外为桥墩提供自恢复力,有效提高结构的抗震性能。

     

考虑非线性剪切效应的RC桥墩抗震分析模型

剪跨比较小或配箍不足的钢筋混凝土桥墩易发生剪切破坏,而现有的纤维单元模型忽略了剪切变形,不能合理评估弯剪或剪切破坏桥墩的抗震能力。为有效模拟剪切作用影响下钢筋混凝土桥墩的抗震性能,以36个剪切及弯剪破坏圆形截面钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,建立了墩柱剪切破坏时墩底转角的计算公式。利用OpenSees分析平台,建立了基于非线性纤维梁柱单元和零长度剪切弹簧单元的数值分析模型,以此来考虑弯曲和剪切效应的耦合作用。以数值模型中墩底转角来监测试件剪切破坏的发生,剪切破坏发生前模型以纤维梁柱单元模拟的弯曲变形为主;此后,桥墩地震反应以剪切弹簧单元控制,以模拟试件由于剪切破坏导致的强度和刚度退化等行为。通过对12个剪切及弯剪破坏圆形截面桥墩抗震拟静力试验的模拟结果表明,模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好,并且能很好地模拟钢筋混凝土结构由于剪切作用引起的刚度与强度的退化现象,验证了模型的合理性。     

预应力双柱式摇摆墩结构体系摇摆谱分析EI北大核心CSCD

摇摆桥墩的损伤和残余位移小,具有良好的震后可恢复性。以预应力双柱式摇摆墩结构体系为研究对象,考虑预应力筋对摇摆刚度的影响,基于拉格朗日方程和动量矩守恒定理给出预应力双柱式摇摆墩的刚体动力分析模型,并进行脉冲型地震动作用下的摇摆谱分析。研究结果表明:在长周期脉冲地震动作用下,预应力筋可以有效减轻低墩的地震反应;随着桥墩高度的增加或地震动频率的增加,预应力筋对桥墩地震反应的影响降低,桥墩依靠自身转动惯量抵抗地震作用;负摇摆刚度既可有效避免桥墩的倒塌,又能减轻脚点处的局部损伤,可在摇摆墩设计时采用。     

近、远场地震下深水桥墩动力响应特性对比研究

以某典型铁路深水桥梁等效单墩模型为对象,采用基于流固耦合理论的势流体计算方法,首次对近、远场地震作用下等效单墩结构振动特性及动力响应进行对比分析。结果表明,动水环境的存在会改变桥墩振动特性,随水深增加桥墩自振周期不断增大,30 m水深时第一阶周期增长率达10.4%。墩周动水压力呈抛物线型分布,近场地震下大于远场地震,二者差别随水深增加而增大。近、远场地震下桥墩结构的动力响应存在明显差别,较无水环境,近场地震下墩顶位移、墩底弯矩及剪力峰值分别增大34.5%、37.8%及51.3%;远场地震下三项指标分别增大17.0%、21.8%及40.0%,具有明显速度脉冲的近场地震下结构动力响应显著大于远场地震。具有速度脉冲的近场地震破坏能力更强,在近断层区深水桥梁抗震设计中应特别重视。     

地震作用下钢筋混凝土桥墩残余位移研究

为更深入了解地震作用下钢筋混凝土桥墩墩顶残余位移与最大位移关系,提出精度更高的残余位移估算方法。首先利用OpenSees地震仿真软件中的纤维梁柱单元建立了钢筋混凝土桥墩的动力计算模型,通过与已有钢筋混凝土桥墩振动台试验结果的对比,验证了计算模型的可靠性;其次通过研究桥墩轴压比、长细比、纵筋配筋率、体积配箍率、纵筋强度硬化系数、纵筋与混凝土强度比等参数对钢筋混凝土桥墩墩顶残余位移延性指标的影响规律;最后通过回归分析建立了残余位移影响系数随以上参数变化的预测公式,并通过已有振动台试验数据验证了计算公式的合理性。研究结果表明:与日本规范相比,推荐公式对残余位移的估算值与试验值更接近,可用于基于性能抗震设计时初步估算地震作用下钢筋混凝土桥墩的残余位移值。     

摇摆自复位高墩高阶效应研究

为了对摇摆自复位高墩中的高阶效应进行控制,需要对高阶效应进行定量评价。在对比已有研究方法的基础上,采用模态分解法对摇摆自复位高墩中各阶模态响应进行计算。在对目前已有的高阶效应贡献指标进行分析的基础上,提出了新的适用于评价摇摆自复位结构摇摆过程中高阶效应贡献的指标。以3种不同强度下的7条地震动作为输入,利用Open SEES建立的2弹簧摇摆模型对某铁路摇摆自复位高桥墩的高阶效应进行了研究。结果表明:高阶效应贡献随地震动强度的增大而增大,墩底剪力对高阶效应最为敏感,第2、第3阶模态贡献分别可达第1阶模态贡献的97%和27%;墩底弯矩次之,第2阶模态贡献为第1阶模态贡献的34%;墩顶位移最不敏感,第2阶模态贡献仅为第1阶模态贡献的8%。     

尺寸效应对钢筋混凝土桥墩抗震性能影响的试验研究

通过两个符合相似关系的钢筋混凝土桥墩水平低周往复加载试验,分析尺寸效应对桥墩抗震性能影响。依据量纲原理,分别比较试件墩顶力-位移曲线、墩底塑性区截面弯矩-曲率曲线、墩顶滑移位移分量及桥墩能量耗散能力,结果表明,两试件墩顶水平抗力、截面抵抗弯矩和曲率延性基本符合相似关系,无明显尺寸效应;但由于纵筋粘结滑移的三维影响,缩尺试件墩顶水平位移包含较大滑移位移分量,同比耗能偏低,尺寸效应显著。基于此,针对弯曲主导破坏桥墩,根据简化曲率分布模型和纵筋滑移模型,分别计算墩顶弯曲位移和滑移位移分量,推导给出模型试验中桥墩位移延性的建议反演公式。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁振动台阵试验研究

为了研究钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的抗震性能,以干海子大桥为原型,设计制作了几何缩尺比例1∶8的两跨钢管混凝土组合桁梁-格构墩试验模型,利用福州大学地震模拟振动台台阵系统,采用实桥的设计地震波,进行了该轻型桥梁的基本动力特性试验、抗震性能试验及破坏特性研究。结果表明,模型实测频率和位移与实桥满足相似比关系;在横向或纵向地震作用下,桥墩格构式区域加速度放大效应明显,减小了主梁混凝土顶板的加速度响应;相同强度下,横桥向地震作用桥墩应变大于纵桥向地震作用,同时可以不考虑纵、横向地震力共同作用。在设计地震动作用下,墩顶位移满足位移限值的规定;模型未出现开裂和破坏现象,表明钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁具有良好的抗震性能。     

近断层地震下大跨度铁路钢桁架拱桥减震技术研究EI北大核心CSCD

以我国某主跨400 m的铁路钢桁架拱桥为工程背景,采用低频速度脉冲叠加高频记录底波的方法合成近断层脉冲型地震动开展动力时程分析,研究了大跨度铁路钢桁架拱桥的响应特性及纵、横桥向减震技术。结果表明,近场脉冲型强震作用下,各构件的响应较未考虑脉冲效应时明显增大,交界墩墩底及横梁、引桥墩墩底等截面破坏严重,支座破坏严重,梁台存在碰撞风险。全桥布置摩擦摆支座可降低主拱应力,但无法有效控制桥墩弯矩响应,且会放大梁端位移;“摩擦摆支座+黏滞阻尼器”的纵桥向减震方案可使主拱应力、交界墩底弯矩、梁端位移分别下降28.53%,63.23%,22.52%,减震效果明显;横桥向增设防屈曲支撑可大幅减小桥墩横梁地震响应,交界墩下、中横梁弯矩降幅分别达58.89%, 62.48%。采用上述组合减震措施可提升桥梁的整体抗震性能,满足抗震设防要求,可供同类型桥梁的减震设计参考。     

带剪切连梁双柱式桥墩地震响应特性振动台试验研究

为了研究剪切连梁对双柱式桥墩地震响应的影响,该文将双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩置于全桥模型中开展振动台试验研究,其中带剪切连梁双柱式桥墩沿墩等间距附有5根剪切连梁。因此设计了一座几何相似比为1/70且包含桥墩(含双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩)、主塔、主梁、群桩和模型土等在内的斜拉桥试验模型并开展振动台试验,比较研究人工波、El Centro波和Mexico City波等不同频谱特性地震作用下双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的地震响应特性。试验结果表明:与双柱式桥墩结果相比,在人工波、El Centro波和Mexico City波作用下,带剪切连梁双柱式桥墩的墩底最大应变明显减小,表明附加的剪切连梁可有效降低墩柱的弯矩应变响应,实现了剪切连梁起分散墩柱受力的作用;与振动台输出最大加速度相比,三条地震波作用下带剪切连梁双柱式桥墩的墩底加速度放大1.4倍~1.8倍,表明桩-土-结构相互作用对纵向加速度产生不利影响,具有明显放大效应;地震输入的频谱特性明显影响双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的加速度、位移和应变等地震响应,且其影响程度取决于地震输入卓越频谱与结构频率特性之间的相关关系。     

铁路桥梁梁墩基础体系动力测试分析

通过对位于广深线上的京山一号中桥1#桥墩、雅瑶特大桥2#桥墩和石龙大桥62#桥墩桩基础顶动力测试,分析列车以不同车速通过桥面时,桥墩在动荷载作用下强迫振动特性,如梁端及墩身各部位振动幅值、墩身的动应变值等;并用Origin6.0曲线拟合程序对墩底动力特性进行拟合,得到桥墩墩底动力频率和动力幅值与车速的关系。     

FRP约束RC矩形空心截面桥墩分析模型及试验验证

针对纤维复合材料(FiberReinforcedPolymer,FRP)约束钢筋混凝土(RC)矩形空心截面墩的抗震性能分析问题,该文提出了一种考虑有效强度系数和面积配箍率的FRP有效侧向约束力的简化计算方法。并通过与试验体桥墩的墩顶水平位移-承载力、墩底截面转动变形-弯矩曲线的对比分析,验证了该文提出简化计算模型的正确性。最后,基于该文提出的简化计算方法,对不同种类FRP约束RC矩形空心截面墩截面的抗弯承载力、曲率、塑性转动能力等抗震性能参数进行了研究,结果表明环包FRP布对空心墩的延性贡献较大,对提高其承载力影响较小。     

高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析EI北大核心CSCD

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

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。     

摇摆式预应力混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法研究

根据基于性能抗震设计的思想,提出一种摇摆式预应力混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法。该方法根据桥梁抗震设防水准确定桥墩的损伤水平,并考虑墩底接缝区变形的影响计算桥墩的目标位移;借助非弹性位移谱计算桥墩的位移需求。摇摆式预应力混凝土桥墩在墩底接缝区设置耗能钢筋或外部耗能装置来耗能地震能量,利用无粘结后张拉钢束在接缝处产生的摩擦力提供剪切抗力,合理设计预应力钢束的初张力,使其在地震荷载作用下保持在弹性范围内,保证其良好的复位能力。通过与已有的设计方法相比,评估了所提出的设计方法的可靠性。研究结果表明:与已有的设计方法相比,用所提出的摇摆式预应力混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法的设计结果与非线性时程分析结果的相关性更好。