跨断层桥梁地震响应分析及合理跨越角度研究

为研究跨断层桥梁地震响应规律及合理跨越断层角度,以一座跨走滑断层的连续梁桥为研究对象,采用混合模拟法合成了该桥的地面运动时程曲线,基于多点激励位移输入模型,采用非线性时程法对其地震响应规律进行了分析,并以桥梁轴向与断层交角θ为研究参数分析了其对结构地震响应的影响,得到了θ对结构地震响应的影响规律和变化曲线。计算结果表明:跨断层桥梁桥墩扭矩设计值较大,桥墩横向弯矩随断层距的减小而增加;其位移响应以主梁纵横向大位移、面内扭转变形、支座和桥墩残余位移为主要特征,具有较大的落梁破坏风险;当桥梁垂直跨越断层时(θ=90°),桥墩受力合理性和经济性最优,断层错动产生的顺桥向位移分量最小,落梁风险相对较低。研究成果可为该类桥梁的抗震设计与桥位布置提供参考和依据。     

近断层地震动作用下多塔悬索桥的地震反应分析

以泰州大桥为原型研究了多塔悬索桥近断层地震动作用下的地震反应特点,在此基础上以近断层地震动反应幅值与普通地震动反应幅值的比值作为放大系数,进一步研究了速度脉冲效应和场地土效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律。分析结果表明:1) 近断层地震动作用下多塔悬索桥位移和内力的分布规律与普通地震动基本相同;2) 纵向+竖向地震输入下坚硬场地上近断层地震动对主梁竖向位移的影响最大,对主梁竖向弯矩的影响次之,对桥塔纵向位移和纵向剪力的影响相对较小。当场地土由硬变软时,边塔的地震反应增幅明显,中塔次之,主梁相对较小;3) 横向+竖向地震输入下坚硬场地条件上近断层地震动对中塔横向位移的影响最大,对主梁竖向位移的影响次之,对桥塔横向剪力和主梁横向弯矩的影响相对较小。当场地土由硬变软时,主梁的横向弯矩增幅明显,桥塔次之,主梁竖向位移相对较小;4) 在近断层地震动速度脉冲特性以及场地土固有周期特性的共同作用下多塔悬索桥边塔、中塔以及主梁的地震反应存在明显差异,在抗震设计时需要引起重视。     

行波效应对大跨度多塔斜拉桥地震反应影响

结合一座大跨多塔斜拉桥工程设计实例,采用动态时程分析方法,对比研究了桥塔、主梁之间纵向固定以及纵向活动两种约束方式下,行波效应对各自结构体系纵向地震反应的影响。分析表明:对于多塔斜拉桥,行波效应对结构各桥塔塔底内力,以及各联梁端、各桥塔塔顶位移响应的影响不同。对于不同桥塔、主梁纵向约束体系的多塔斜拉桥,行波效应对其地震响应的影响程度也不同;塔、梁纵向固定的情况下,行波效应的影响较大,反之,塔、梁纵向活动的情况下,行波效应的影响较小。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析EI北大核心CSCD

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

设置自复位耗能支撑的斜拉桥横向抗震性能研究

为减小斜拉桥横桥向的地震响应,提出一种设置预压弹簧自复位耗能支撑的斜拉桥横向减震体系及支撑参数的设计方法。以一座斜拉桥为研究对象,对支撑参数进行了设计,并对塔梁固结体系和采用支撑的减震体系进行地震时程分析,从关键位置的地震响应、耗能能力等方面对支撑体系的抗震性能进行了研究。结果表明,横桥向采用预压弹簧自复位耗能支撑的斜拉桥减震体系利用支撑良好的滞回耗能特性,有效减小桥塔位移和应变,改善桥塔受力,减小主梁的残余位移。附加预压弹簧自复位耗能支撑对斜拉桥地震响应有良好减震控制效果,是一种合理的抗震体系。     

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。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

近断层P波斜入射下沥青混凝土心墙坝响应分析

近断层地震动的断层距一般在20 km以内，此范围内的地震波由于在不同岩层介质中的反射和透射次数远小于远断层地震动，到达地表时一般不满足垂直入射假定。关于沥青混凝土心墙坝抗震研究目前少有考虑近断层地震动斜输入的影响。选择合适的近断层脉冲型地震动记录，推导了P波斜入射时二维地基侧面和底面边界完整波场分解、叠加方案下的等效节点力公式，通过近断层P波波动斜输入模拟沥青混凝土心墙坝遭受近场地震波作用过程，分析了近断层P波脉冲特性和输入角度对沥青混凝土心墙加速度、应力、曲率和坝体永久变形的影响规律。结果表明，地震波斜入射下心墙和坝体响应与垂直入射相比存在明显差异，近断层地震动脉冲特性亦对各响应影响显著。     

方向脉冲及竖向效应对高铁桥梁地震响应影响EI北大核心CSCD

近断层地震会给桥梁带来严重损害,其方向脉冲及竖向地震动效应日益引起研究者注意。以高速铁路多跨简支梁桥为研究对象,建立高烈度区地震作用下的非线性全桥模型,计算了水平及竖向地震作用下桥梁的弹塑性响应。结果表明:近断层地震下桥墩进入弹塑性阶段,刚度的改变其自振周期随之改变。相比远断层地震而言,近断层地震以其较大的脉冲周期与进入弹塑性的桥梁相耦合,将加剧桥梁的非线性响应。考察了竖向地震动对桥梁地震性能的影响,通过轴力变化改变影响桥墩滞回性能,增加塑性区变形,但不会导致墩顶横向位移的增加。建议设计时采用近断层地震因子及合适的竖向地震动参数考虑近断层效应的影响。     

考虑桥塔风效应的多塔斜拉桥抖振响应分析

该文以6塔斜拉桥——嘉绍大桥为研究对象,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,研究了多塔斜拉桥主梁和桥塔在强风作用下的抖振响应特性,并详细考察了自激力和桥塔风效应对主梁和桥塔抖振响应的影响。分析结果表明:1) 主梁与桥塔的风致抖振响应与结构的振动特性联系紧密,其抖振响应由于主梁与桥塔的动力耦合作用呈现出一定的独特性;2) 考虑自激力后主梁竖向抖振响应明显减小,而对主梁横桥向和扭转抖振响应影响相对较小。同时,自激力对桥塔的横桥向抖振响应基本没有影响,但对桥塔的顺桥向抖振响应起到了明显的抑制作用;3) 桥塔风效应对主梁的竖向和扭转抖振响应以及桥塔的顺桥向抖振响应基本没有影响,但会对主梁和桥塔的横桥向抖振响应产生较大影响。     

分级地震下跨断层高铁简支梁桥行车安全与抗震设计优化研究

以跨越走滑断层的某高速铁路八跨简支梁桥为研究对象,基于OpenSEES平台建立其考虑梁-轨相互作用的线桥体系非线性数值模型,合成平行断层方向的水平地震动,分析了不同地震动强度下桥梁结构及CRTSII型板式无砟轨道结构的损伤特性,量化评定了结构构件的地震安全性。基于规范给出的轨道水平变形控制标准,评价了不同车速下线路的行车安全性,探讨了轨道结构的优化设计。研究结果表明:断层跨及其邻跨的地震响应最大,强震下面临严峻的破坏风险;地震下轨道水平变形明显,存在行车安全隐患的位置主要集中在断层跨及其两侧邻跨梁端;增加轨道侧向挡块数量可有效降低轨道水平变形,将侧向挡块增加至每跨每线6对时,罕遇地震下,除断层跨梁端处轨道的平行转角外,其余位置的轨道水平变形指标仍能满足车速为100 km/h时的行车安全限值。     

多塔斜拉桥风致抖振响应的粘滞阻尼器控制研究

以六塔斜拉桥型的嘉绍大桥为工程背景,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,在此基础上研究了采用粘滞阻尼器的多塔斜拉桥结构减振控制效果。研究结果表明:1) 多塔斜拉桥主梁和桥塔风振控制存在最大减振率,阻尼指数α愈小,最大减振率对应的阻尼系数c也愈小;2) 嘉绍大桥主梁跨中处设置刚性铰使主梁横桥向抖振响应显著增大,设置粘滞阻尼器后主梁中跨横向位移的最大减振率达到近50%;3) 嘉绍大桥采用次边塔与主梁固结的部分约束体系,使得次边塔的塔底内力明显大于其余塔的塔底内力,设置粘滞阻尼器后次边塔塔底内力的最大减振率达到近55%;4) 设置粘滞阻尼器使得多塔斜拉桥各塔和各梁跨的风振响应幅值趋于一致。因此,对于抖振响应相对较小的塔和梁跨其减振效果相对较小。     

近断层地震方向脉冲效应对高速铁路桥梁弹塑性反应的影响

基于PEER-NAG强震数据库,采用ANSYS分析软件、ANSYS-APDL语言和弯矩曲率关系计算程序,以高速铁路多跨简支梁桥为研究对象,建立了近断层脉冲型地震作用下的高速铁路桥梁全桥模型,考虑了轨道不平顺的影响,分析了结构的自振特性,计算了近/远断层地震作用下桥梁的弹塑性地震响应。计算结果表明,近断层方向脉冲型地震作用下的墩底的荷载-变形曲线呈现中间加强的特点,此时需要桥墩有更强的能量释放能力和较好的延性要求,相比远断层地震而言,近断层方向脉冲型地震作用下墩底梁体位移、墩顶位移以及墩底弯矩增大,且导致更大的塑形变形;远断层地震趋向于能量的逐渐释放过程并与较少的滞回环损伤疲劳相联系;由于近断层地震动方向脉冲效应的影响,在一些地震动的某些时段内,对结构破坏起控制作用的因素是速度或位移而不是峰值加速度;由于近断层地震较大的竖向地震动,导致梁体竖向挠度比远断层地震增加较多,《铁路工程抗震设计规范》等取竖向地震为横向的2/3左右,会导致竖向动力响应偏小,建议取竖向地震动的合理范围进行计算较为妥当。     

斜拉桥横向减震振动台试验

为了研究弹塑性阻尼器对斜拉桥横向地震反应的减震效果,以一座独塔斜拉桥为研究对象,设计了1∶20大比例缩尺的全桥振动台模型,采用一条远场波和一条近场波作为地震输入,对该模型进行了全桥横向振动台试验。试验结果表明,与塔梁、墩梁横向固定连接相比,塔梁、墩梁横向采用弹塑性阻尼器连接能有效减小桥塔横向地震响应,如在远场和近场地震输入下,塔底截面钢筋应变分别最大减小了40%和10%;但在近场地震输入下,弹塑性阻尼器变形约为远场地震输入时的3.6~4.6倍,加载完成后产生明显的残余变形。通过对比数值和试验结果可知,数值结果与试验结果较接近、吻合较好。     

温度对斜拉桥跨中竖向位移的作用机理研究

跨中竖向位移是桥梁结构健康监测中的重要指标之一,它会随环境温度的改变发生可观的变化。利用上海长江大桥的现场实测数据,该文通过平面几何分析和有限元分析研究了温度对双塔斜拉桥跨中竖向位移的影响机理,揭示了斜拉桥在温度作用下的行为规律。研究表明:温度引起的斜拉桥跨中竖向位移不随环境温度或某种结构温度单调变化,可通过拉索温度、主梁平均温度、主梁顶底板温差和桥塔平均温度的热胀冷缩效应线性叠加计算;拉索温度和主梁平均温度对上海长江大桥跨中竖向位移的影响远大于主梁顶底板温差和桥塔平均温度,且拉索温度的效应方向与其余三种温度相反;该文提出的平面几何分析模型可初步估计斜拉桥跨中竖向位移随温度的变化。     

粘滞阻尼器对地震、列车制动和运行作用下公铁两用斜拉桥振动控制效果分析

以一公铁两用斜拉桥为背景,首先利用非线性动力时程分析方法,基于结构地震反应进行粘滞阻尼器参数敏感性分析,选取粘滞阻尼器合理参数。在此基础上,研究了列车制动和运行作用下不同塔梁连接方式对结构动力响应的影响,探索了塔梁间设置粘滞阻尼器对抑制列车制动和运行引起梁体纵向振动的效果。结果表明:塔梁间设置粘滞阻尼器不仅能有效降低结构地震反应,还可以有效抑制列车制动及运行作用下斜拉桥主梁纵向振动及改善桥塔动力响应。     

弹塑性索和黏滞阻尼器系统用于斜拉桥横向减震分析

旨在研究弹塑性索对与黏滞阻尼器组合减震系统用于大跨度斜拉桥横向抗震设计作用。依据Caltrans规范构建了弹塑性索对的非线性本构关系,基于永宁黄河大桥弹性索对与黏滞阻尼器组合减震系统设计,通过调增地震波幅值,使弹性索进入塑性状态并分析结构响应。研究结果表明:容许拉索进入塑性可以显著增加其变形能力,进而提高整个结构应对强震作用的能力;与塔梁固定的常规体系相比,引入弹塑性索与黏滞阻尼器组合体系可以大幅降低主塔塔底弯矩及主梁加速度响应;与理想弹性索对工况相比,采用弹塑性索对虽然会导致较大的主梁残余位移,但对于控制最大索力和改善主梁加速度响应效果明显,同时塔梁、墩梁最大相对位移和塔底弯矩基本不变。     

2×1500m双主跨斜拉桥静风失稳机理研究

静风稳定性是千米级超大跨斜拉桥抗风性能的主要考验之一。以某主跨2×1 500 m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用全桥气弹模型风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面深入揭示了该结构体系静风失稳机理。风洞试验发现,结构在+3°和0°初始风攻角下出现了明显的静风失稳前兆,静风失稳先于颤振失稳发生。基于增量与内外两重迭代相结合的非线性静风稳定分析方法,研究了结构失稳过程结构位移响应演变特性,并与风洞试验结果进行了对比,表明二者具有较好的吻合性。-3°初始攻角下的静风失稳临界风速远高于+3°和0°初始攻角。为了揭示上述现象发生的内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力,阐述了失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变关系,研究表明:结构静风稳定性取决于失稳过程结构刚度演变特性,而后者与结构响应密切相关。-3°初始攻角下主梁整体向下的竖向位移强化了拉索、主梁和桥塔形成的稳定三角关系,这是该初始攻角下静风稳定性远优于+3°和0°初始攻角的最根本原因。-3°初始攻角时,结构失稳形态表现为明显的主梁一阶正对称扭转与主梁一阶反对称扭转耦合振型失稳,与单主跨斜拉桥明显不同。研究首次在风洞试验中再现了双主跨大跨度斜拉桥静风失稳现象,并揭示了大跨度斜拉桥静风失稳内在机理,对今后我国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

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。