基于结构“保险丝”概念的双柱式高墩地震损伤控制研究

在双柱式高墩中引入结构"保险丝"概念,即在墩柱间附加易于震后修复或可更换的"保险丝"构件,通过其耗能来确保墩柱处于弹性或轻微损伤状态。首先以等效单自由度体系为例,阐明了结构"保险丝"概念的基本理论,通过参数化分析揭示了其损伤控制机理;建立了基于结构"保险丝"概念的双柱式高墩地震损伤控制方法;最后以一双柱式高墩为例实现了所提出的损伤控制方法,通过弹塑性静力和动力分析验证了该损伤控制方法的可行性和有效性。研究表明:控制后(附加"保险丝"构件)的双柱式高墩的地震响应和损伤明显低于控制前的,且地震输入能集中在"保险丝"构件上,使墩柱处于弹性状态,验证了结构"保险丝"概念在双柱式高墩地震损伤控制中的有效性。     

带消能连梁的矩形空心双柱式高墩抗震性能试验研究

基于震后功能可恢复的设计理念,按1/20几何缩尺比设计和制作了矩形空心双柱式高墩和带消能连梁的矩形空心双柱式高墩模型,开展了低周往复荷载作用下的拟静力试验研究,分析了试件的破坏形态及过程,比较研究了试件的强度、累积滞回耗能、墩柱曲率和位移延性等抗震性能参数。试验结果表明:与普通的矩形空心双柱式高墩相比,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更好的耗能能力、承载能力和位移延性能力,消能连梁可有效减小墩柱曲率,从而有效降低了墩柱的地震损伤。因此,带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更优良的抗震性能。     

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。     

基于耗能保险丝的桥梁双柱墩减震控制研究

双柱式排架墩被广泛应用于桥梁下部结构,同时在历次破坏性地震中震害普遍且严重。基于保险丝的损伤控制理念,可通过设置防屈曲支撑(buckling restrained brace,BRB)等可更换的耗能装置来提升双柱墩的侧向承载力和耗能能力。当BRB按人字形和单斜式布置时,其耗能能力不能得到充分利用。该研究将肘节式支撑系统和BRB相结合,发展一种能够放大BRB位移的肘节式耗能减震体系,从而提升了BRB的耗能减震能力,并针对此保险丝体系,推导出由桥墩材料、几何属性和位移放大系数等无量纲参数控制的BRB核心段长度取值范围表达式,还绘制了位移放大系数的三维等高线图用于保险丝的设计。选择具有不同破坏形式的两个双柱墩进行保险丝设计,确定BRB的设计参数,建立动力分析模型并输入4组不同类型的地震动进行增量动力分析,考察了人字形、单斜式和肘节式BRB保险丝体系在不同地震动强度下对双柱墩的减震效果。结果表明：同等设计条件下肘节式BRB体系的减震效果最好,BRB的变形得到了放大并充分发挥了其滞回耗能作用,从而将双柱墩的地震损伤控制在轻微破坏甚至于弹性状态,而对应的人字形BRB体系减震效果则最差。     

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。     

装配铅挤压阻尼器的摇摆-自复位双柱墩抗震性能及设计方法

为发展具有损伤可控和自复位性能桥梁双柱墩,选取铅挤压阻尼器(lead-extrusion dampers, LEDs)为可更换耗能装置,并通过预应力筋提供自恢复力,组成摇摆-自复位(rocking self-centering, RSC)双柱墩体系(RSC-LEDs);通过对其抗震性能的研究,对应发展了一种基于等能量设计流程(equivalent energy-based design procedure, EEDP)的设计方法。首先建立了RSC-LEDs双柱墩的数值分析模型,结合一RSC双柱墩试件的拟静力结果验证了建模方法的正确性。在此基础上,定性分析了阻尼器出力、初始预张拉力、无粘结预应力筋配筋率、上部结构重量及盖梁-墩柱刚度比对RSC-LEDs双柱墩滞回性能的影响。设计了32组不同参数的RSC双柱墩试件开展回归分析,并结合RSC-LEDs双柱墩的力学特性,得到了RSC-LEDs双柱墩等效屈服强度、刚度的半经验计算公式。结合中国公路抗震设计规范和EEDP,提出一种适用于RSC-LEDs双柱墩体系的两阶段抗震设计方法,设计案例分析表明:半经验计算公式可较为准确地估算RSC-LEDs双柱墩的等效刚度及屈服强度;所提出的设计方法可使RSC-LEDs双柱墩达到预期的能力曲线,并实现在E1地震作用下保持弹性,在E2地震作用下LEDs屈服耗能且地震位移需求得到控制的设计目标。     

设置BRB桥梁排架墩基于位移抗震设计方法

为发展具有损伤可控和自复位性能桥梁双柱墩,选取铅挤压阻尼器(lead-extrusion dampers, LEDs)为可更换耗能装置,并通过预应力筋提供自恢复力,组成摇摆-自复位(rocking self-centering, RSC)双柱墩体系(RSC-LEDs);通过对其抗震性能的研究,对应发展了一种基于等能量设计流程(equivalent energy-based design procedure, EEDP)的设计方法。首先建立了RSC-LEDs双柱墩的数值分析模型,结合一RSC双柱墩试件的拟静力结果验证了建模方法的正确性。在此基础上,定性分析了阻尼器出力、初始预张拉力、无粘结预应力筋配筋率、上部结构重量及盖梁-墩柱刚度比对RSC-LEDs双柱墩滞回性能的影响。设计了32组不同参数的RSC双柱墩试件开展回归分析,并结合RSC-LEDs双柱墩的力学特性,得到了RSC-LEDs双柱墩等效屈服强度、刚度的半经验计算公式。结合中国公路抗震设计规范和EEDP,提出一种适用于RSC-LEDs双柱墩体系的两阶段抗震设计方法,设计案例分析表明：半经验计算公式可较为准确地估算RSC-LEDs双柱墩的等效刚度及屈服强度;所提出的设计方法可使RSC-LEDs双柱墩达到预期的能力曲线,并实现在E1地震作用下保持弹性,在E2地震作用下LEDs屈服耗能且地震位移需求得到控制的设计目标。     

氯离子侵蚀后桥墩的抗震性能及损伤指标研究

为研究氯离子(Cl^-)侵蚀对钢筋、混凝土材料性能和桥墩抗震性能的影响,设计了3组6根大比例尺钢筋混凝土墩柱模型,并对各组中的待侵蚀模型试件进行了Cl^-电化学加速侵蚀。对各试件进行拟静力加载试验,分析Cl^-侵蚀前后不同墩高和不同配筋率的墩柱模型抗震性能指标的变化规律,并采用Park-Ang和M-Park两种双参数模型评价墩柱的地震损伤。研究结果表明：Cl^-侵蚀对混凝土和钢筋材料性能产生削弱影响;受Cl^-侵蚀试件的位移延性能力、承载能力、耗能能力均明显小于未受侵蚀试件;侵蚀试件的等效黏滞阻尼系数在极限位移前大于相应未受侵蚀的试件;Cl^-侵蚀会明显增加墩柱的地震损伤,在极限位移处增大至未侵蚀墩柱的两倍;墩柱配筋率越大时,Cl^-侵蚀对墩柱地震损伤的影响越大。     

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。

     

柱式柔性墩隔震梁桥结构地震易损性分析

对柱式柔性桥墩刚度较小下部构件结构形式的中小跨径桥梁,利用铅芯橡胶支座双线性恢复力特性,通过调节桥梁下部结构整体刚度,改变地震力在不同墩柱间的分配可提升桥梁整体抗震能力。定义桥梁损伤的5种状态,归纳出以曲率延性判定5种损伤水平的量化指标,并与桥墩墩顶位移相关联。选典型桥梁建立有限元模型进行动力弹塑性分析,将隔震改造前后桥梁墩顶位移概率需求与地震易损性进行对比。分析表明,采用柔性桥墩的梁桥结构进行合理隔震改造后,只要保证隔震支座体系正常运行,桥梁整体在大震作用下的抗震水平可明显提升。     

耗能型辅助墩抗震性能数值研究

耗能型辅助墩可以有效地实现大跨度斜拉桥的地震损伤控制。刚度和强度是耗能型辅助墩的关键设计参数,因此,该文对安装剪切型连梁和屈曲约束支撑两种耗能构件的双柱墩进行理论分析,推导了耗能型辅助墩的刚度和强度的简化计算公式,能够快速准确地估算其弹性刚度和屈服强度。通过有限元模型,仿真分析了其滞回性能,可以准确地模拟耗能型辅助墩的非线性行为,为大跨度斜拉桥的整体弹塑性分析提供了可靠的依据。与试验结果对比,验证了简化公式和有限元模型的准确性。对比研究了安装耗能构件的双柱墩试件和拆除耗能构件的裸双柱墩试件的性能差异,结果表明耗能构件能够显著提高辅助墩的抗震能力。最后,对安装屈曲约束支撑的辅助墩抗震性能进行了参数分析。     

山区桥梁双柱式桥墩设置BRB的减震效果研究

为增强山区桥梁双柱式桥墩的横向抗震能力,尝试采用一种新型的耗能减震构件,即在双柱式桥墩之间设置防屈曲支撑(Buckling-Restrained Braces,BRB),并通过数值分析手段研究其减震效果。考虑双柱式桥墩的规则性和BRB布置形式,利用SAP2000软件建立含BRB的双柱式桥墩横向分析模型。采用谱分析和非线性时程分析,得到双柱墩小震(线弹性)和大震(弹塑性)作用下的内力和变形。引入减震率和残余位移角两个参数,通过增量动力分析方法,进一步验证BRB对双柱式桥墩抗震能力的提升作用。结果表明,小震下BRB可减轻规则与非规则双柱式桥墩承受的地震力,但会一定程度增加基础剪力,大震下BRB能够有效减小桥梁墩柱最大塑性变形并控制其残余位移角。     

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。     

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。     

超大跨斜拉桥横向地震破坏模式与损伤控制分析

地震作用下控制结构合理的破坏模式是保证其震后安全性的基础,而目前对超大跨度缆索桥梁破坏模式及其控制的研究仍显不足。以一座试设计的主跨1400m斜拉桥为例,采用弹塑性分析方法并引入地震损伤指标研究了地震作用下横向约束体系的地震损伤与破坏模式;为提高结构的整体抗倒塌能力,研究了极端地震作用下损伤控制策略对桥梁地震损伤和破坏模式的影响;在此基础上,进一步研究了主塔上横系梁刚度和耗能能力以及附加耗能构件对主塔地震损伤分布的影响。结果表明：在横向极端地震作用下,主塔上、下塔柱区段几乎同时遭受损伤,发生双塑性铰的破坏模式;附加耗能阻尼器的损伤控制策略可显著控制桥墩的地震损伤,但不能完全有效控制主塔损伤;在优化参数的基础上,若在上塔柱区段附加一定数量的耗能构件,则可合理改善主塔的破坏模式使其满足地震损伤控制目标。     

功能自恢复SMA/ECC墩柱抗震性能试验研究EI北大核心CSCD

墩柱作为主要承重构件,其抗震能力对整个桥梁结构的安全至关重要。为了提高墩柱的变形能力、耗能能力及损伤自修复能力,减小墩柱震后的残余变形和损伤,实现震后不修复或者稍作修复就可恢复正常功能,提出了一种基于形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)和工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)的新型自复位墩柱。利用SMA的超弹恢复性能,在墩柱的塑性铰区用SMA筋来替代普通纵向钢筋,来实现墩柱的自复位功能;利用ECC的应变硬化特性,ECC替代墩柱的塑性铰区普通混凝土,提高墩柱耗能能力并减少损伤。设计制作了5个试验试件,分别为普通钢筋混凝土墩柱、普通钢筋ECC墩柱、钢绞线普通混凝土墩柱、钢绞线ECC墩柱和形状记忆合金筋ECC墩柱,并进行低周反复加载试验,对比分析了不同墩柱的破坏模式、承载力、延性和耗能能力等抗震性能。研究结果表明:SMA材料能够增强结构的变形能力,提高结构的延性,减小结构残余变形;ECC材料能够提高结构延性,减缓裂缝的开展速度,提高结构的耗能能力。与普通钢筋混凝土墩柱相比,SMA/ECC墩柱不仅表现出较好的延性,且构件复位效果良好,显著减小了结构损伤,展现出更好的抗震性能。     

具有位移放大功能的摩擦自复位支撑及其在双柱式桥墩中的应用EI北大核心CSCD

针对传统自复位支撑在低强度地震作用下难以充分耗能的问题,基于桥式放大工作机理提出了一种具有位移放大功能的扭转摩擦自复位支撑(self-centering displacement amplified rotational friction brace,SC-DARFB)。介绍了其基本构造、工作原理,给出了其理论恢复力模型,通过数值模拟研究了不同初始放大角度下支撑的力学性能,并对附加SC-DARFB的双柱式桥墩结构进行地震响应分析。结果表明:理论恢复力模型能够有效描述SC-DARFB的滞回性能,与数值模拟结果吻合较好;随着初始放大角度的减小,SC-DARFB起滑荷载、最大荷载和耗能能力均有显著提高,且具有较强的自复位能力;合理的设计能够确保支撑的拉、压最大荷载比满足美国钢结构规范限值1-3,基于此原因建议SC-DARFB采用倒V型对称布置形式;将SC-DARFB应用于双柱式桥墩结构,能够有效减小双柱式桥墩结构的最大墩顶位移及震后桥墩残余位移角,通过减小SC-DARFB初始放大角度能够进一步提高双柱式桥墩的减震耗能能力。     

超大跨斜拉桥多点振动台试验研究

以一座试设计主跨1400 m斜拉桥为工程背景,进行了多点振动台阵试验。试验采用包括桩基础的1：70缩尺模型,通过层状剪切土箱模拟场地土的作用,台阵包括4个振动台,可模拟非一致地震输入。研究了半漂浮体系、弹性约束体系和辅助墩体系等不同结构体系对斜拉桥纵向地震响应的影响;进而针对辅助墩体系,研究了上塔柱区段附加耗能构件对斜拉桥横向地震响应的影响;最后通过破坏性试验研究了斜拉桥的横向破坏模式及其灾变过程。结果表明：弹性拉索体系和辅助墩体系可有效减小主塔和塔-梁的纵向相对位移;附加的耗能构件对塔顶横向相对位移的减小效果有限,但可有效降低主塔应变响应,起分散主塔受力和附加耗能作用;主塔的横向破坏模式具有明显的双塑性铰模式。     

高墩大跨连续梁桥内力位移双控减隔震体系的有效性初探

为解决高墩大跨连续梁桥减隔震设计中存在墩底内力与梁端位移矛盾的问题,基于撑架连续梁结构特点和耗能减震思想提出了一种摩擦摆支座和撑架相结合的墩底内力、梁端位移双控的减隔震体系。推导了撑架结构等效阻尼比的计算公式,对比研究了4种减隔震方案的地震响应,验证了摩擦摆和撑架组合使用的优越性,并对撑架结构进行了参数分析,还分析了附加撑架结构在静力方面的优势。结果表明：在撑架等效阻尼比为9%时,静力方面连续梁支点负弯矩减小27%;动力方面墩底弯矩最大减震率为79%,墩底剪力最大减震率为83%,梁端位移最大减震率为50%。说明摩擦摆支座和撑架的组合使用,可实现墩底截面内力和梁端位移的有效控制,降低大跨连续梁的静力和动力响应。     

立交匝道桥地震响应及合理抗震体系研究

以上海嘉闵高架桥为依托,分析了不同曲率半径、地震输入方向对立交匝道桥地震响应的影响,指出小曲率半径下的匝道桥地震响应较为复杂,地震最不利输入方向与墩柱切线、法线方向仍存在20°~30°的偏差,墩底弯矩偏低约10%~20%,大曲率半径下则可简化为直线桥。基于新规范体系,评估了立交匝道桥在两级地震作用下的性能,指出匝道桥较容易满足E1地震下的强度要求,在E2地震下,顺桥向固定墩以及横桥向高墩均会进入屈服,其中矮墩固定墩较容易发生剪切破坏。对直线匝道桥分别采用延性抗震体系与减、隔震体系进行设计,并评估其适用性,指出单独采用任何一种抗震体系都难以满足结构性能要求,建议高墩区采用延性抗震体系,矮墩区采用减隔震体系。