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。     

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。     

近断层地震动下曲线梁桥碰撞效应研究

桥梁的地震碰撞会导致结构局部破坏,甚至造成落梁、倒塌等严重灾害,曲线梁桥的非规则性使得其碰撞效应与直梁桥显著不同。对一典型的三跨曲线梁桥建立多尺度有限元数值模拟模型,利用三维接触-摩擦模型结合显式动力接触算法模拟曲线梁桥上部主梁间的碰撞,研究了近断层地震动下碰撞效应对曲线梁桥地震反应的影响,并对地震动参数、碰撞刚度、伸缩缝间隙及曲率半径进行了详细的参数影响分析研究。研究结果表明:曲线梁桥地震响应受非均匀碰撞影响显著,碰撞限制了主梁相对位移;近断层脉冲地震较其他两类地震对曲线梁桥碰撞效应的影响更为显著,碰撞力最大值随着碰撞刚度和曲率半径的增加而增大,随着伸缩缝间隙的增大而减小,主梁相对位移响应则相反;外侧切向位移较大,落梁很有可能从曲线梁外侧发生。     

公路桥梁拉索式连梁装置设计参数化研究

作为公路桥梁的抗震措施,防落梁系统是针对落梁震害的减、抗震设计方法,由梁搁置长度、限位装置和连梁装置构成。连梁装置是结构遭遇超预期地震作用时,保证桥梁结构不发生落梁震害的最终安全保护措施,其防落梁效果受到各种设计参数的影响。结合国内外已有的连梁装置设计方法,对设置不同设计参数拉索式连梁装置的结构进行地震响应分析,研究设计参数对连梁装置防落梁效果及其内力的影响。结果表明,连梁装置的防落梁效果随着拉索长度、设计位移量的增大有所减小,但设计参数取值较小的连梁装置内力较大,部分超过连梁装置的设计承载力。     

考虑桩-土相互作用的多年冻土区多跨简支梁桥地震响应分析

为分析青藏铁路多年冻土区多跨简支梁桥地震响应情况,建立了一座10×32m箱形多跨简支梁桥三维全桥模型,以等效基础弹簧考虑桩-土相互作用;以具有初始间隙的并联弹簧-阻尼单元模拟伸缩缝两端结构的碰撞,研究了冻土融化深度、行波效应及碰撞效应对多跨简支桥梁结构地震响应的影响。结果表明:随着融土下限加深,等效基础弹簧刚度明显减小,在强地震动作用下,桥梁结构易发生落梁、桥墩倾覆等震害;当相邻碰撞体的相向位移超过伸缩缝宽度时两者发生碰撞,碰撞次数及碰撞力随地震动视波速及行进距离不同而不同,在行波波速较低且行进距离较小时碰撞效果明显,对桥梁地震响应影响较大,极易导致落梁;此外桥台对结构地震响应亦有显著影响。在对多年冻土区多跨简支梁桥抗震性能进行评估时,应特别重视夏季地震动低速行波时可能发生的震害。     

浅源强震下RC梁式桥横向碰撞参数研究

针对地震作用下桥梁结构梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性动力分析方法对影响碰撞效应的主要因素进行了系统研究。基于刚体碰撞理论,建立能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞接触单元分析模型,研究了典型的浅源强震作用下挡块碰撞刚度、梁体与挡块间初始间隙、桥梁墩高以及跨径等因素对铁路RC简支梁桥地震碰撞效应的影响。研究表明抗震挡块对于防止横向落梁有显著的抑制作用,建议了铁路RC梁式桥抗震挡块的合理刚度及初始间隙取值,提炼了墩高及跨径对各项响应指标的影响规律。研究成果可供梁式桥抗震设计及规范修编参考     

地震作用下大跨度斜拉桥和引桥间碰撞分析

强烈地震作用下大跨度斜拉桥和引桥(一般是简支梁桥或多跨连续梁桥)的纵向振动是耦合的,可能发生碰撞及落梁。采用非线性时程地震反应方法分析了梁端的纵向碰撞效应对体系整体反应的影响,其中对碰撞接触单元的刚度进行了比较分析,然后分别讨论了影响碰撞的几种因素,主要是伸缩缝初始间隙大小、相邻结构周期比等的影响。结果表明碰撞对引桥影响相对较大。     

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。     

锚栓限位与邻梁碰撞对曲线桥梁抗震性能的影响

曲线桥梁在地震作用下梁体之间会发生非均匀碰撞,可能造成前梁落梁或后梁局部破坏现象;而在纵向设置抗震锚栓可有效防止落梁,也可对相邻梁的碰撞起到一定缓解作用;但目前国内外还缺乏锚栓对曲线桥梁的抗震性能影响的相关研究。以某四跨曲线桥为背景工程,建立了空间有限元模型,并分别用滞后系统、钩单元、接触单元模拟了支座损伤、锚栓约束、相邻梁纵向碰撞等物理现象,利用非线性时程分析法,进行了三种工况((1)无锚栓、不计碰撞,(2)无锚栓、计碰撞,(3)有锚栓、计碰撞)曲线桥梁的墩梁相对位移、墩底内力、相邻梁碰撞力等关键地震响应对比研究。研究表明:相邻梁的非均匀碰撞是曲线桥梁必须考虑的关键因素;而设置抗震锚栓能缓解曲线桥梁的碰撞效应,并减轻震害。     

山区高墩连续刚构桥墩梁相对位移控制研究

高墩连续刚构桥作为中国西部山区桥梁的一种常见结构形式,但目前对如何控制其在地震作用下过渡墩处的墩梁相对位移缺乏研究。该文从不同相邻联周期比的情况出发,考虑过渡墩自振周期的影响,探讨山区高墩连续刚构桥的合理设计思路,和不同限位装置对位移控制的效果。参数分析结果表明:过渡墩自振周期接近相邻联振动周期时能有效减少墩梁相对位移;过渡墩处安装叠层橡胶支座和弹塑性挡块能有效限制墩梁位移;连梁装置只在特定的周期比条件下才能发挥减小位移的作用。     

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。     

铁路不等跨简支梁桥组合减震系统减震机理及影响参数研究

为了解决地震作用下铁路不等跨简支梁桥(simply-supported girder bridges,SSGB)发生邻梁和梁墩碰撞,引起伸缩缝和过渡墩破坏,甚至造成落梁的问题,针对传统减震装置的局限性,基于功能分离思想,研发了一种新型屈曲约束支撑(buckling-restrained brace,BRB)-拉索限位器...     

高速铁路列车制动力对简支梁桥地震碰撞效应影响研究

以高速铁路三跨简支梁桥为例,采用ANSYS软件,建立了碰撞有限元模型,模型中考虑了地基变形和支座非线性的影响,并用Kelvin模型来模拟邻梁碰撞;根据规范和已有试验结果建立了高铁桥梁列车制动力模型,进行了高速列车制动力与EL-Centro地震波作用下的碰撞效应分析,探讨了列车制动力对简支梁桥地震碰撞效应的影响。研究表明:列车制动力可增大桥墩的墩底剪力,增大邻梁或梁台间距,增大邻梁最大碰撞力和碰撞次数,加剧固定支座的破坏;影响程度与列车制动力和地震力的方向、桥墩刚度有关。因此在高铁简支梁桥抗震设计时,有必要考虑将列车制动力与地震力进行组合,开展碰撞效应分析。     

基于直杆共轴碰撞理论的桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型

桥梁结构在强烈地震动作用下,伸缩缝两边的主梁会因运动的相对位移大于伸缩缝间距而发生碰撞,造成桥梁结构损坏,甚至引发落梁。研究目的是建立较合理的邻梁碰撞问题分析模型。通过引入表征邻梁碰撞相互作用的碰撞弹簧,基于直杆共轴碰撞理论建立了邻梁碰撞问题的分析模型,采用解析与数值结合的方法研究了碰撞弹簧刚度比a、邻梁长度比12/ll和阻尼比x等参数对碰撞力、碰撞持续时间和耗能的影响。利用美国加州强震观测计划(CSMIP)获得的邻梁碰撞强震记录,估计了碰撞弹簧刚度约为0.5倍的较短主梁轴向刚度。     

考虑支座及限位装置非线性的接触摩擦单元模型

在连续梁桥活动墩上设置限位装置后,活动墩处将包含活动支座的摩擦及限位装置的接触碰撞两种非线性,综合摩擦单元及接触单元的特性,分别考虑接触单元的弹性及弹塑性情况,提出了接触摩擦单元的有限元模型,给出了接触摩擦单元的滞回曲线,针对卸载曲线的不同状态,分别推导出了其卸载刚度;利用接触摩擦单元对设置有分散抗震挡块及活动摩擦支座的连续梁桥进行了非线性地震反应分析,对挡块在降低连续梁桥固定墩地震反应上的分散抗震作用进行了研究,该接触摩擦单元可用于设置有防落梁装置及活动支座桥梁的较为细致的抗震分析模型。     

齿轨铁路轨道-简支梁桥相互作用及轨缝合理位置研究

齿轨铁路与桥梁的梁轨相互作用对行车安全和结构稳定均有重要影响。基于有限元理论,建立了齿轨(钢轨)-轨枕-桥梁-墩台空间耦合计算模型,分析了典型荷载作用下齿轨铁路轨道-简支梁桥相互作用。结果表明:简支梁桥上齿轨铁路梁轨相互作用强于常规桥上无缝线路,在列车纵向荷载作用下的钢轨纵向力、梁轨相对位移、墩顶纵向力、墩顶纵向位移等指标比常规桥上无缝线路大40%以上,建议增强轨道基础与梁体的约束作用,增大轨道结构纵向阻力,防止在列车纵向荷载作用下的轨道爬行。齿轨最大等效应力小于其容许应力,齿轨强度不是结构设计的控制指标。建议齿轨轨缝与梁缝错开布置,可有效避免齿轨轨缝变化过大。     

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。     

多阶适时控制连接装置设计参数分析EI北大核心CSCD

为明确MTC装置力学性能及设计参数影响的一般规律,针对力学性能开展拟静力试验研究,并采用有限元模型进行验证分析,在此基础上基于正交试验设计开展MTC装置初始刚度参数影响显著性分析,并探究MTC装置初始刚度在显著性参数影响下的变化规律。结果表明,考虑装配间隙调整后有限元与试验所得连接刚度较为一致,所建有限元模型可反映MTC装置连接刚度实际变化情况;MTC装置初始刚度参数影响显著性顺序为耗能挡板高度、厚度、短底边长度、长底边长度、挡板间距;耗能挡板高度、厚度及短底边长度为影响MTC装置初始刚度的显著性参数,利用MTC装置进行连续梁桥抗震设计时可适当改变三者取值对装置初始刚度进行调整,以实现理想减震效果。     

30t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应研究

为研究多跨30 t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,采用经过验证的梁轨相互作用模拟方法,建立了考虑桩-土共同作用、桥墩弹塑性变形、滑动支座摩阻力、线路非线性阻力的多跨重载铁路简支梁桥与双线有砟轨道相互作用仿真模型,揭示了一致激励和行波效应下重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,探讨了路基段钢轨长度、简支梁跨数、跨度、线路纵向阻力形式、滑动支座摩阻系数等设计参数的影响,分析了温度、列车制动和地震耦合作用下系统的受力特征。研究表明:当地形地质条件相差不大时,简支梁跨数可简化为11跨、路基段钢轨长度可取为150 m;线路阻力减小时,梁体间、梁体与桥台间可能出现碰撞现象甚至发生落梁;纵向一致激励下,钢轨应力包络图呈"双菱形",其最大值出现在桥台附近,而梁缝附近梁轨相对位移较大,易发生动力失稳;行波效应下,系统受力和变形规律发生显著改变,即使对于跨度较小的简支梁桥,也应考虑行波效应的影响;温度和列车制动作用将进一步增大轨道结构在地震中发生动力失稳的可能性。     

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。