铁路自复位高墩的高阶模态贡献研究

针对高阶模态对自复位桥墩的影响,以某铁路58m高墩为例,基于OpenSEES建立自复位高墩地震反应模型。输入近场地震动强震记录,通过增量动力分析得出了墩身塑性铰的形成及发展规律。基于模态分解法讨论了前3阶模态对墩身弯矩和墩顶位移的影响,引入一种定量指标评价了各阶模态反应的贡献。结果表明:在近场地震作用下,自复位高墩墩底提离后只会减小第1阶模态响应对墩身的作用,使墩底不出现塑性铰;受高阶模态地震响应的影响,墩身中部仍会出现塑性铰区,墩底提离不能消除高阶模态的作用。     

考虑LRB环境温度效应及铅芯发热的隔震斜交桥近断层地震反应分析EI北大核心CSCD

低温环境和铅芯发热会引起铅芯橡胶支座(lead rubber bearing,LRB)力学特性的变化。为探讨其对支座力学性能的影响,从铅和橡胶材料特性层面对支座力学性能进行修正,以考虑低温对支座力学特性的影响;采用强度退化力学模型考虑LRB往复运动时内部铅芯发热对其力学特性的影响。基于OpenSees地震分析平台建立动力分析模型,研究在近断层地震动作用下隔震斜交桥地震反应与环境温度、铅芯发热及斜度的关系。研究表明:低温环境会使梁体旋转度和支座的位移响应明显减小,桥墩的地震反应显著增大,铅芯发热对桥墩和支座地震反应影响较小;当环境温度和铅芯发热共同作用时,桥墩纵、横向墩底剪力和扭矩都被显著放大,低温环境对其地震反应起主导作用;在同一低温下,桥墩纵向墩底剪力和扭矩的放大程度随着斜度的增大而逐渐增大,在-30℃低温下,斜度为60°斜交桥桥墩的纵向剪力和扭矩分别被放大20%和39%。     

控制自复位高墩高阶效应的双摇摆界面法

为控制只在墩底设置1个摇摆界面的自复位高墩(结构1)的高阶模态地震响应,研究了分别在1/2墩高截面(结构2)和墩身弯矩最大截面(结构3)设置第2个摇摆界面的双摇摆界面法的控制效果。以3种强度条件下的7条地震动作为输入,利用时程分析获得了3种结构的墩身最大弯矩、最大剪力及墩顶最大水平位移。通过对比分析发现:结构2不能有效控制高阶模态效应,而结构3能有效控制高阶模态效应。随地震动及其强度的不同,与结构1相比,结构3能使墩身最大弯矩及最大剪力分别减小20%~46%和19%~65%,但结构3会增大墩顶最大水平位移,需采用有效手段加以控制。     

地震作用下海冰与桥墩的间距对桥墩动力响应的影响研究

位于冰水海域的桥墩,在波浪力作用下,桥墩结构与周围海冰往往出现间隙,地震作用下海冰与结构的动力相互作用呈现复杂多样化。本文在弹性力学中的弹性波传播理论及结构动力学的基础上,考虑不同的海冰与桥墩间距,建立了地震作用下桥墩、冰与水体的流固耦合动力方程。并以一矩形桥墩为研究对象,研究了地震作用下,海冰与桥墩的间距对矩形桥墩结构的动力响应及动水压力的影响。研究表明：地震作用下,海冰与桥墩间距对桥墩顶部的最大位移和最大加速度响应的影响不显著,但是对桥墩侧面动水压力和墩底内力影响较大;当海冰与桥墩存在间距且小于1倍结构尺寸时,墩底的弯矩和剪力达到最大值。     

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%。     

考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应

为研究考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应,选用某高速铁路连续梁及32 m简支梁桥作为研究对象,分别建立考虑轨道约束模型和传统全桥模型,基于绝对位移输入法(ADM),开展行波效应对两种不同抗震体系(延性及减隔震)铁路桥梁地震响应的影响分析。研究结果表明:对于延性抗震体系,行波对墩底曲率的影响表现为行波对结构反应更有利;对减隔震体系,行波对墩底内力的影响不及延性抗震体系明显。两种抗震体系中,墩梁相对位移的变化应予以考虑,防止邻梁碰撞现象。行波效应对轨道系统的影响应重点关注,避免其轴力过大发生扭曲。不同视波速下,简支与连续梁上的剪力齿槽水平剪力分配呈现此消彼长的现象,简支梁上剪力齿槽抗力应加强设计。行波中的拟静力成分对轨道系统地震响应的贡献显著,动力成分主导桥墩地震响应,两者共同决定总地震响应。     

冻土层对桥梁地震反应的影响

采用波动法对季节性冻土区和多年冻土区的桥梁结构进行了地震反应分析。研究了冻土层的变化对桥梁结构地震反应的影响。得到了不同冻土厚度、不同墩高时桥墩地震内力分布的规律。计算结果表明,冻土层的存在对桥梁的地震反应具有显著影响,不同基础类型桥墩受冻土的影响规律基本相同,墩高在10m~22m之间时冻土层对桥墩地震反应的影响最为显著。桥墩的地震反应在冬夏两季具有显著区别,抗震设计中应考虑不同季节的影响。     

基于JC法的近场地震作用下钢筋混凝土高墩塑性铰形成概率分析

为研究近场地震动作用下钢筋混凝土(RC)高墩塑性铰形成概率。以高度为90 m的某RC高墩为研究对象,首先采用支持向量机算法预测截面等效屈服曲率;然后考虑墩身参数和近场地震动的随机性,采用OpenSees建立高墩模型,并进行增量动力非线性分析;最后以等效屈服曲率为临界指标,采用JC法对截面动力响应当量正态化后,计算分析截面塑性铰形成概率。研究结果表明:RC高墩截面顺桥向和横桥向等效屈服曲率均具有明显的离散性且服从正态分布;顺桥向近场地震作用下,墩底和墩身中部区域塑性铰形成概率均较大并形成塑性铰,且墩身中部塑性铰长度达31.7 m,比只考虑地震动随机性确定的塑性铰区域长度大84.3%,而横桥向仅墩底区域塑性铰形成概率较大且与只考虑地震动随机性确定的塑性铰区域长度基本一致。塑性铰形成概率分析法,可以更加准确地对RC高墩的塑性铰形成和分布做出评估。     

基于BRB的铁路双柱式超高墩连续梁桥横向减震研究EI北大核心CSCD

为提升双柱式超高墩桥梁的横向抗震性能,可将屈曲约束支撑(buckling restrained brace,BRB)用于双肢墩身。通过某铁路超高墩大跨连续钢桁梁桥非线性时程分析,研究了罕遇(PGA=0.227g)和极罕遇(PGA=0.640g)地震下BRB的参数影响规律、作用机理及减震效果,探讨了高阶振型对BRB墩身地震响应的影响。结果表明:BRB能够改变墩身传力路径,在一定参数范围内可将原有墩身部分弯矩转化为支撑点的轴力和剪力;罕遇地震下BRB未充分发挥耗能作用,地震响应随芯材面积A;增加而不断接近X撑方案;极罕遇地震下设置BRB可明显减小墩顶位移和墩身轴力响应;BRB会适当增加墩身弯矩响应,但截面PM滞回并未超过等效屈服包络;由于高阶振型效应,BRB墩身中部的剪力、弯矩响应包络图凹凸交替变化;随着墩高的降低,高阶振型的影响减弱,墩身剪力、弯矩包络图近似双折线;采用BRB可有效抑制超高墩的高阶振型,同时提升极罕遇地震下桥墩的耗能能力、增强横桥向抗震性能。     

套筒连接的预制拼装桥墩抗震性能研究

以灌浆套筒预埋于墩身的预制拼装桥墩为研究对象,分析了地震作用下此类桥墩墩身与承台接缝处的受力机理和套筒预埋于塑性铰区对桥墩整体受力性能的影响,进行了灌浆套筒预埋于墩身的预制拼装桥墩模型拟静力试验。在此基础上,采用数值模拟分析方法,建立有限元模型,比较了采用灌浆套筒连接的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩的性能差异,以及不同直径的灌浆套筒对此类预制拼装桥墩抗震性能的影响。研究表明:采用墩身预埋灌浆套筒连接的预制拼装桥墩,因套筒刚度大,易在墩身套筒连接段形成刚性区域,发生墩身曲率重分布现象,导致墩底接缝处曲率增大,应变集中。此外,灌浆套筒埋置于墩身的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩相比,等效塑性铰高度减小,位移承载能力降低,且灌浆套筒直径越大、长度越长,桥墩接缝处应变集中越明显,与整体现浇桥墩性能差异越大,导致桥墩最终破坏形式由传统的塑性铰区域混凝土破坏转变为墩底接缝处钢筋拉断。     

冰激桥墩振动室内模型试验研究

鉴于模型试验是研究冰激结构振动特点和机理的一种非常有效的方法和手段,本文以某桥墩为背景,通过一修正的动冰力模型试验相似律设计了一桥墩模型,应用DUT-1模型冰,模拟了不同冰速下冰-桥墩动力相互作用过程,并实测了冰力和桥墩各测点处的响应。进而得到了一些有价值的试验现象和试验结果,这将为寒冷区域实际冰工程的建设提供一定的借鉴意义,同时可为冰激结构振动的发展提供探索性的意义,也能够在一定程度上完善室内冰激振动模型试验。     

Nonlinear random vibration of the slender deep-water pier under seismic excitation

The present study investigates the nonlinear random vibration of the deep-water pier exposed to horizontal seismic excitation. First of all, the stochastic dynamic model of the pier is formulated. During the process, the pier is simplified as a cantilever beam fixed on the rock foundation, the seismic excitation is treated as Gaussian white noise, the hydrodynamic pressure is described with the radiation wave theory, and the equation for the nonlinear kinematic of the pier is deduced by the means of Kane’s method. Then, with the application of the stochastic averaging (SA) technique, the Fokker–Plank–Kolmogorov (FPK) equation governing the transient probability density function (PDF) of the amplitude envelope and the backward Kolmogorov (BK) equation for the conditional reliability function (CRF) are derived, respectively. The closed-form stationary PDF can be yielded directly from the reduced FPK equation, while the CRF and the conditional PDF of first-passage time are given after solving the BK equation numerically. Numerical discussions are performed to illustrate the trend of excitation intensity, mass ratio, immersion ratio, and inner and outer hydrodynamic effect on the stationary response and first-passage failure are examined, respectively. It has been shown that increases in the excitation intensity, mass ratio, and immersion ratio can amplify the response and reduce the reliability of the deep-water pier system. The hydrodynamic effect also leads to an amplification of the system response and a reduction in the reliability of the system. Similarly, the presence of inner water can also exacerbate these effects, and this phenomenon becomes more pronounced with increasing immersed ratios. Additionally, the analytical solution is validated by the result obtained by pertained Monte Carlo simulations (MCS). It is noted that this work will be helpful for the optimal seismic design of deep-water piers.     

一般铁路桥梁墩、台的尺寸拟定

在工程设计中,根据工程的实际情况选定一种合适的墩、台形式后,就要拟定墩、台的基本尺寸。本文具体介绍了一般铁路桥梁墩、台的尺寸拟定方法。     

Bridge pier scour in cohesive soil: a review

Bridge failure due to local scour has stimulated the enthusiasm of many researchers to study the causes of scouring and to predict the ultimate scour depth at bridge foundation. A brief review of the state of artwork of investigation conducted on local scour at bridge pier in cohesive bed material is presented. Scour process and mechanism at bridge pier in cohesive and noncohesive soil are presented. The effects of parameters influencing local scour around bridge pier is discussed. Empirical equations for predicting ultimate scour depth at bridge pier embedded in cohesive soil are outlined. Comparisons of the equations are made considering two examples: one under laboratory condition and another under field condition.     

Failure analysis of masonry arch bridges subject to local pier scour

In European roadway and railway networks, many multi-span unreinforced arch bridges were built in the last century. These structures are often characterized by piers with shallow foundations placed in the riverbed, which can be subject to hydrodynamic turbulences in case of river floods and further localized scour phenomena. The lack of adequate monitoring can cause scour-induced settlements over time, potentially causing bridge structural failure. This work investigates the structural behavior of existing masonry bridges subject to local pier scour. A case study is used to carry out the failure analysis, simulating the evolution of the structural behavior of a six-span masonry arch bridge with a finite element model, correlated with the local scour profile.     

Strengthening of a bridge pier capbeam using bonded FRP composite plates

Application of fiber reinforced polymer (FRP) composite plates to strengthen the capbeam of Pier 3 of East Church Street Bridge in Chemung County, New York, is discussed in this paper. Addition of a concrete wearing surface and a median barrier to the bridge superstructure increased dead load, contributing to deficiencies in moment and shear capacities of the capbeam structure. As a result, the concrete capbeam suffered flexural and shear cracking, and was considered for strengthening using bonded FRP composite plates. Service load tests were performed before and after the plates were installed, to investigate effectiveness of the strengthening system. Installation of the plates and results from the performed load tests related to flexural behavior of the beam are discussed in the paper.     

含有摇摆装置的双层桥墩结构随机振动分析

基于一种下层含有摇摆装置的双层桥墩结构模型，建立了系统的随机动力学系统模型，其中随机激励选用高斯白噪声模型，自复位恢复力采用经典旗帜形模型。运用广义谐波平衡法将旗帜形滞回力近似分解为幅值依赖的等效拟线性弹性力和拟线性阻尼力，获得原系统的等效随机系统；采用标准随机平均法理论，将等效系统近似为关于幅值的平均伊藤随机微分方程，建立并求解与之对应的Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK)方程获得系统的稳态响应。探讨系统参数，如能量耗散系数等对系统稳态响应的影响，并通过Monte Carlo数值模拟加以验证。另外，借助Laplace变换，得到等效系统的转换函数及条件功率谱密度，结合下层幅值的稳态概率密度，得到下层幅值响应的功率谱密度估计。     

地基上下震动时高桥墩的动力屈曲

考虑大变形的影响,建立高桥墩在地震波冲击下引起的地基上下震动时的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;对时间变率的非线性微分方程进行数值求解,给出了同一地震波不同强度下高桥墩的位移响应曲线以及从产生横向振动到失稳的全过程;得到了地震波冲击时高桥墩失稳的临界地震加速度和失稳时刻。通过数值算例比较了地震波幅值、高桥墩柔度以及桥面质量大小对位移幅值响应曲线、临界地震加速度和失稳时刻的影响。     

冲击荷载下两端简支高桥墩的动力屈曲

考虑剪切变形和大位移的影响,建立高桥墩在冲击荷载作用下的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;利用四阶Runge-Kutta法进行数值求解,得到冲击荷载作用下高桥墩的临界荷载、位移响应曲线以及各种荷载和几何参数对临界荷载的影响规律。通过数值算例比较了三角形冲击荷载和矩形冲击荷载作用下的荷载-位移幅值响应曲线;给出了矩形冲击荷载作用下,不同峰值的位移响应曲线、临界荷载随高桥墩柔度的变化曲线、不同冲击持续时间对临界荷载的影响。     

闸墩混凝土结构温控防裂措施智能优选研究

闸墩混凝土温控防裂是一个与温控措施和材料参数相关的复杂多因素系统优选问题,本文尝试已知混凝土热力学材料参数情况下的温控措施优选,将闸墩混凝土结构内部和表面主拉应力历时曲线和抗拉强度增长曲线关系的最小值作为输入,闸墩表面保温效果、浇筑温度、通水水温、通水时间作为输出,建立了温控措施优选的神经网络模型,采用均匀设计原理进行温控参数组合,并采用水管冷却有限元法仿真分析含冷却水管的闸墩混凝土结构温度场和徐变应力场,获得样本进行学习,以此训练好的网络描述结构主拉应力历时曲线和抗拉强度增长曲线关系的最小值与不同温控措施的非线性关系。将合适的结构主拉应力历时曲线和抗拉强度增长曲线关系的最小值输入训练好的网络,可自动优选出温控防裂措施。算例分析表明,本文建立的温控措施优选神经网络模型是可行的。