基于压重块型TMD的大跨度斜拉桥减震控制

调谐质量阻尼器(TMD)能对大跨度桥梁振动进行有效控制,但安装TMD所带来的附加荷载将显著增加主梁的静载挠度,极大地抑制了TMD桥梁减振中的广泛应用。为此,提出了一种基于压重块型TMD的大跨度斜拉桥减震控制方法,该法针对大跨度斜拉桥的结构特点,将边跨的压重块设计并改装成压重块型TMD,以控制主梁的竖向振动。以边跨配置了压重块、主跨为1088m的苏通大桥参照,分别设计了有辅助墩和无辅助墩的两种大跨度斜拉桥,并对比分析了采用压重块型TMD前后大桥关键截面的地震响应。研究结果表明:在大跨桥梁无辅助墩时,压重块型TMD能在保持传统压重块功能的同时,显著降低结构的振动响应,减震率最高可达21%;而在设辅助墩时,压重块型TMD的减震率相对较低,最大值不足10%。     

地震作用下辅助墩对斜拉桥支座脱空的影响

强震中斜拉桥支座通常会受到主梁较强的上拉作用,有时甚至会发生支座脱空的现象。以一座实际的双塔斜拉桥为背景,研究了地震作用下斜拉桥的支座脱空现象以及辅助墩对斜拉桥支座脱空的影响。结果表明,在强震作用下该桥在过渡墩、辅助墩和主塔处均会出现支座脱空现象,具体表现为:主梁出现明显的竖向位移,当梁体与支座再次接触时产生较大的支座碰撞力;当斜拉桥两侧不设置辅助墩时,主梁的竖向位移和支座压力均较大;斜拉桥两侧各增设一辅助墩能够显著地降低地震作用下主梁的竖向位移及主梁与支座的碰撞力,但是随着辅助墩数量的持续增加,支座竖向反力和主梁竖向位移变化幅度不大;同时,提高辅助墩的成桥压力也能够在一定程度上降低支座脱空的不利影响。     

挡块对斜拉桥横向抗震体系的影响

为探讨挡块限位装置对斜拉桥横向抗震体系的影响,以宁波大榭二桥为工程背景,采用非线性时程法分析比较了三种状况下斜拉桥的结构地震响应,即不考虑挡块的作用、考虑挡块的影响、挡块破坏后的效应等三种情况。研究表明：梁体与挡块的碰撞效应有利于改善斜拉桥在地震作用下的横向受力,降低控制横向设计的锚墩的响应需求;而挡块的破坏则会导致梁体侧向过大的位移,带来结构稳定和疲劳方面的隐患;通过在边墩和锚墩设置粘滞阻尼器可以改善结构的受力、限制梁体的侧移并使支座免于破坏,但增加了设计困难和建设造价,而设置足够强度的挡块值得推荐。     

近场竖向地震激励下桥梁支座对竖向碰撞的影响

考虑桥梁支座的作用, 针对两跨连续梁桥的竖向碰撞问题, 建立了梁-弹簧-杆连续体模型. 采用瞬态波特征函数展开法和组合体瞬态内力法, 推导了多次竖向碰撞问题的理论解, 分析了桥梁支座对竖向碰撞的影响. 研究结果表明:桥梁支座直接影响桥面与桥墩的局部碰撞接触刚度, 显著影响竖向碰撞响应, 包括碰撞次数、竖向碰撞力和碰撞位移响应等. 桥梁支座对竖向碰撞具有显著的吸能减震效果, 且影响竖向碰撞响应的基本特征, 如次碰撞出现的频次和响应的频率. 当近场竖向地震激励周期逼近桥梁的固有振动周期时, 桥面上抛跳起, 与桥梁支座产生剧烈竖向碰撞. 由于调节桥梁支座的刚度可以改变桥梁的固有振动周期, 因此, 合理设计桥梁支座对于降低竖向碰撞的破坏作用, 提高桥梁结构抵抗竖向地震的能力, 具有重要的价值.     

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。     

基于负刚度原理的结构减震效果理论分析

在分析普通振动控制系统特点的基础上提出基于负刚度原理减震系统和负刚度阻尼装置的两种实现思路,并详细分析附加负刚度阻尼装置可以显著提高结构的减震效果。首先,利用结构附加刚度比率和附加阻尼比之比作为控制参数,通过理论推导单自由度正、负刚度减震体系的动力放大系数和传导比,讨论控制参数对二者的影响;然后,采用有限单元法分析正、负刚度减震体系结构的地震动力反应,通过结构的自振频率和位移、速度、加速度以及柱底剪力反应的分析,说明负刚度振动控制系统可以减少上部结构绝对加速度。分析表明,负刚度阻尼装置的负刚度可部分抵消原结构的正刚度,降低了结构的自振频率,提高结构阻尼,较大幅度地减少上部结构的动力响应,具有更好的减震性能。     

基于非线性静、动力方法的RC简支梁桥连梁装置参数优化研究

连梁拉杆装置是防止强震下RC梁式桥纵向落梁的有效措施,需要对其合理刚度取值进行研究。以典型的铁路RC简支梁桥为对象,采用基于FEMA440性能点轨迹法的能力谱分析方法,以现行《铁路工程抗震设计规范》设计谱及汶川地震动为需求,讨论了不同的场地类型和设防烈度下连梁拉杆的最优刚度分布。研究表明,场地类型对连梁装置刚度取值无显著影响,在8度罕遇烈度设防的四种场地下,连梁装置的刚度均可在0.05~0.15倍的梁体线刚度范围内取值,可有效抑制墩、梁相对位移及桥梁整体地震响应。设防烈度对刚度取值有显著影响,当PGA不超过0.2g时,可不予设置;当PGA为0.4g和0.6g时,连梁拉杆的合理刚度可分别取为0.1倍和0.2倍的梁体线刚度。采用非线性动力时程方法验证了上述结论的合理可靠性,可供桥梁抗震设计及规范修编参考     

随机振动下多跨弹性支撑梁桥的冲击系数分析

基于随机振动理论和正交试验设计,研究了三跨弹性支撑梁桥的冲击系数及其影响因素。采用虚拟激励法求解桥梁在车辆和桥面不平顺作用下的随机响应,根据三倍标准差准则将桥梁挠度随机响应由统计结果转化为确定性值域,进而求得桥梁冲击系数。通过设计桥梁冲击系数影响因素的正交试验,研究了桥梁长度、桥梁刚度、桥面不平顺、车速、车体质量和车辆轴距对桥梁不同部位的冲击系数的影响规律及显著性。计算结果表明:算法高效、精确,有效克服多因素正交试验带来的庞大计算困难;桥梁不同部位的挠度冲击系数差异较大,且随着桥面不平顺等级的提高而增大;与其他因素相比,对冲击系数影响最为显著的是桥面不平顺,其次为桥梁长度和车速。     

强震区中等跨度斜拉桥抗震体系研究

在高地震烈度区,中等跨度斜拉桥选择合理的抗震约束体系,对优化结构抗震性能具有较好的效果。以跨径布置(100+240+100)m的斜拉桥为工程案例,对四种不同的横桥向约束体系进行模态分析、非线性时程分析,并比较了过渡墩的三种约束方案对桥梁整体抗震性能的影响,结果表明在横桥向设置弹塑性约束装置可大幅降低结构地震响应;此外,对弹塑性约束的力学参数F_y、K_1和K_2进行了敏感性分析,得到了结构地震响应的变化趋势,并给出了参数设计的建议。基于理论分析结论,在不同地震水准下,对弹塑性约束装置的工程应用提出了三道抗震设防防线的设计思路,为中等跨度斜拉桥抗震体系的选择提供参考。     

连续倒塌现象中结构动态响应特性的分析

局部破坏引起的动力响应是影响建筑物发生连续倒塌的重要因素。基于改变传力路径法建立了连续倒塌动力分析模型,对结构遭受局部破坏后的振动特性进行研究,并分析了失效时间及材料特性对结构动力响应的影响。分析结果表明,竖向固有振型是连续倒塌中动力响应的主要参与振型;失效时间越短,结构最大竖向位移及惯性力越大;且失效时间小于竖向固有振型对应的自振周期时,动力响应受失效时间的影响最为显著;较高的材料屈服强度可有效降低结构的竖向振动位移,但也会引发底层柱承受较大的竖向惯性力;强化模量的改变对结构动力效应的影响并不显著。     

动水压下减震连续梁桥随机优化及减震性能研究

地震作用下,跨海桥梁桥墩和周围水体的动力相互作用将对桥梁结构的动力响应产生较大影响。建立了考虑动水压力的2自由度连续梁桥简化分析模型,推导了其组合刚度和附加质量;提出了以墩顶位移方差最小为目标的黏滞阻尼器参数随机优化的Lyapunov方法。在此基础上,通过对设置黏滞阻尼器的某跨海连续梁桥简化模型进行了阻尼器参数优化,研究了动水压力和地震耦合作用下连续梁桥的减震性能。研究结果表明:动水压力增大了桥梁的地震反应,对桥梁的动力响应特性有较大影响。采用黏滞阻尼器可有效减小跨海连续梁桥的地震反应,改善桥梁结构抗震安全性能。     

随机车辆荷载下三塔悬索桥钢箱梁疲劳关键断面分析

泰州大桥为世界首座千米级三塔悬索桥,建立泰州大桥的三维全桥模型,通过简化的车辆荷载模型,将随机车流加载于大桥有限元模型上,计算泰州大桥主梁不同位置竖向位移和弯矩的振动响应值,分析车流作用下大桥主梁应力变化最大位置,从而确定主梁的疲劳分析的关键位置。     

在役大跨径曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析EI北大核心CSCD

为研究在役曲弦桁梁桥的动力性能和车桥振动响应,基于考虑跳车脱空时段的车桥耦合振动分析方法,进行在役曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析。以122 m跨径彩虹桥为计算示例,建立桥梁有限元模型,分析桥梁动力特性,并计算空间车队过桥动力响应,探讨车速、车辆数量、车队分布及路面不平度等因素对在役曲弦桁梁桥动力响应的影响。结果表明:桥面系竖向刚度相对较弱,桥面局部振动易被激发;桥面竖向振动及各动力响应随着汽车数量、布载车道数量增加而显著增大;桥梁下弦跨中位移冲击系数超过规范设计值,桥面振动程度较大;车辆中、后轮易发生跳车,路面等级越高,发生脱空次数越多,在路面等级良好状态下汽车也会出现跳车现象。     

铁路简支梁桥竖向共振影响因素的分析

采用车-桥系统模型,对影响铁路简支梁桥竖向共振的各种因素进行了分析。分析结果表明:列车静轴重荷载是引起简支梁桥竖向共振现象的主要原因,而其它因素(如桥梁本身的跨度、刚度及阻尼,车辆的长度、轮对的质量、悬挂弹簧的刚度和阻尼等)对桥梁竖向共振的发生和发展也有着重要的影响。     

汽车炸弹钢箱梁内部爆炸局部破坏效应分析

采用ALE多物质流固耦合算法,对汽车炸弹 (TNT当量200kg~1500kg) 在双层桥梁下层桥面典型位置爆炸的局部破坏效应进行了数值模拟,研究了内爆炸冲击作用下钢箱梁的响应过程、破坏模式、破坏参数及其主要影响因素。结果表明：破坏模式及破坏参数与爆炸位置和TNT当量密切相关,爆炸位置对桥梁主要受力体系的受损程度影响较为明显,加劲肋对其垂直方向的破口具有约束作用,箱体对冲击波的约束效应使破坏作用加剧。合理设置加劲肋、加强重要构件和设置防爆层等措施有利于提高桥梁结构抗爆能力。     

空间主缆自锚式悬索桥成桥状态的确定方法

基于空间主缆自锚式悬索桥受力的内在要求,明晰了成桥状态确定的总体流程;从主梁受力合理(弯矩合理)的要求出发,获得了成桥状态吊索合理竖向力的确定方法;在阐述空间主缆找形解析法基本方程和吊索竖向力确定方法的基础上,给出了能确保收敛的空间主缆找形和吊索参数计算的具体步骤和方法;根据成桥状态吊索仅在横桥向倾斜的条件,推得了空间主缆线形变化刚度计算的递推公式。从而建立了概念明确、思路清晰、便于编程的空间主缆自锚式悬索桥成桥状态确定的高效高精度方法。杭州江东大桥的工程实例表明了该文方法的高效率、高精度。     

大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应

为研究大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应,以湖南赤石特大桥火灾后九根拉索断裂的事故为背景,采用有限元软件建立了赤石特大桥的非线性动力实体有限元分析模型,通过对比灾后检测得到的索力、主梁和索塔位移及裂缝开展情况与有限元模型中相应的计算结果,证明了模型的有效性。基于已验证的有限元模型,对斜拉桥结构在多根拉索断裂过程中的动力响应进行了分析。结果表明:(1)拉索静态断裂只会对断索区域附近的截面内力和索力造成影响,而拉索骤断引起的冲击作用则会导致全桥结构都产生较大内力变化;(2)单侧索面部分拉索断裂导致主梁顶板及腹板受到扭矩和双向弯矩的共同作用而产生大量裂缝,裂缝在第五根拉索断裂后出现;(3)主梁扭矩、竖向弯矩和横向弯矩最不利截面在断索过程中的动力放大系数分别在1.09~1.55、1.21~2.05及1.21~1.76,最大主压应力动力放大系数在1.02~1.58;(4)预应力筋及拉索最大拉应力的动力放大系数分别在1~1.9及1.05~1.4;(5)索塔塔顶位移动力放大系数在1.23~1.65。     

空间桁架梁固有振动的能量变分解析解

目前人们对空间桁架梁的振动特性研究得较少,该文首先采用Timoshenko梁的连续化模型来模拟空间桁架梁,推导得到了空间桁架梁的等代抗弯刚度和等代抗剪刚度,并采用能量变分法对空间桁架梁的固有振动进行分析,给出空间桁架梁的竖向振动频率和振型的解析解。然后采用有限元软件ANSYS对几种不同算例进行模拟,通过模态分析得到空间桁架梁的频率与振型。将能量变分法求得的频率解析解与有限元分析求得的频率数值解进行对比,结果基本上是一致的,将两种方法得到的振型对比,结果吻合良好。该文所提出的能量变分解析解可供空间桁架梁的工程设计参考。     

时速400 km/h铁路常用跨度预应力混凝土简支梁竖向基频限值研究

建立有限元模型,计算常用跨度预应力混凝土简支箱梁的竖向基频,以设计荷载对桥梁的动力效应不小于运营列车对桥梁的动力效应为准则,确定梁体容许动力系数;基于移动荷载模型,得到常用跨度简支箱梁在列车作用下的动力系数;在综合分析桥梁动力响应与列车类型、运营速度、桥梁竖向基频关系的基础上,提出了时速400 km/h常用跨度预应力混凝土简支箱梁的竖向基频限值。研究表明:通过调整车长与桥梁跨度之比可避开基阶振型的共振,有利于行车安全;在车长25 m左右的列车作用下,跨度24 m、32 m和40 m的预应力混凝土简支箱梁竖向自振基频限值取125/L、155/L和90/L时,可以有效地降低梁体动力响应。     

桥梁结构地震碰撞分析模型的碰撞刚度计算方法研究

针对桥梁结构地震碰撞模拟问题,文中分别推导了基于波动理论的直杆共轴碰撞模型和基于接触单元法的刚体碰撞模型中相应的最大碰撞变形的计算式,并基于二者相等的关系给出了Kelvin模型和Hertz-damp模型中相应碰撞刚度的计算方法,并对所建议方法的合理性和精确度进行了验证分析。研究结果表明,文中建立方法计算的Kelvin模型的碰撞刚度数值明显小于较短主梁的轴向刚度,这一点与以前学者基于实测数据分析得到的结论相一致。数值分析结果表明,相比以前的碰撞刚度计算方法,采用本文建议的方法确定Hertz-damp模型的碰撞刚度时,可以显著提升其碰撞模拟精确度。