整体式桥台研究综述

整体式桥的桥身与桥台之间没有设置支座和伸缩缝,而是刚性连接为一体,从而能极大地节省桥梁全寿命周期的维护与维修费用。但是由于季节性温度波动导致桥身长度变化,桥台后土体随之受到水平方向循环加载作用。桥台后土压力的发展变化,成为整体式桥研究的重点。另外,对整体式桥台在地震作用下的动力反应还缺乏认识。该文首先系统总结了关于整体式桥台后土压力的相关研究成果,包括现场监测、缩尺模型实验、土单元应力路径实验、以及数值模拟等,揭示出在这种特殊循环作用下桥台后土压力的变化规律,并对土压力累积机理进行了探讨。然后,该文总结了整体式桥台在地震作用下动力响应的相关研究成果,指出由于桥台与桥身的刚性连接,桥身惯性力对桥台与土动力相互作用产生很大影响。     

加筋土整体式桥地震反应研究

加筋土整体式桥结合了整体式桥和加筋土的优点,是一种新型的桥梁形式,但目前对加筋土整体式桥的动力响应还很缺乏认识。该文对典型的单跨加筋土整体式桥的地震反应进行数值模拟,分析了地震峰值加速度对桥台弯矩、位移、筋材拉力的影响,并对比了另外3种桥型(整体式桥、加筋土简支梁桥、简支梁桥)在地震作用下桥台弯矩、位移和筋材拉力分布的区别。研究结果表明,地震作用下,简支梁桥台水平位移很大,有发生“落梁”的危险,整体式桥的水平位移更小,且加筋土整体式桥相比其他3种桥型抗震稳定性最高;地震时桥台弯矩和筋材拉力均显著增大;静力时每层筋材的最大拉力一般在筋材端部,而地震时是在筋材内部回填土滑移面附近。     

桩-土动力相互作用对连续梁桥半主动控制的影响研究

建立刚性地基和桩土相互作用两种模式的整体桥梁有限元模型，在桥梁支座部位设置线性粘滞阻尼器，计算桥梁在地震动作用下未施加控制和半主动控制的地震反应，探讨了桩土动力相互作用对连续梁桥地震反应半主动控制的影响以及半主动控制的减震效果。结果表明，桩土动力相互作用使连续梁桥自振周期增大，半主动控制的减震效果也相应增大，而最终的桥梁最大位移反应数值比较接近，最大内力数值更加减小，桩土动力相互作用对连续梁桥半主动控制系统减震效果的不利影响非常小，充分显示了半主动控制的优越性。     

斜交简支梁桥纵向地震碰撞反应精细化研究

为精细化分析简支斜交桥地震碰撞反应,首先基于Hertzdamp碰撞理论,采用开放式地震模拟软件OpenSees建立能够考虑碰撞过程中摩擦作用的简支斜交桥精细化计算模型;然后从动力特性、动力反应层面验证模型的可靠性;最后采用三维精细化计算模型分析斜度、摩擦对斜交简支梁桥纵向地震碰撞反应的影响。结果表明：梁体与桥台间最大碰撞力的产生位置随着斜度的变化而改变;最大碰撞力的大小不仅与斜度有关,而且与斜交桥梁端与桥台间摩擦系数也存在一定关系;摩擦作用削弱了斜度对梁端锐角处纵向最大位移的影响,大幅度减少上部结构峰值转角,使峰值转角最大值滞后在较大斜度时出现;不考虑摩擦作用会高估锐角处梁端纵向最大位移反应。     

挡土墙地震土压力的拟动力分析

基于均匀土层剪切梁理论建立了边坡水平地震动力运动方程,得到了边坡坡后土体的水平位移和加速度响应。将水平加速度应用到挡土墙地震土压力拟动力分析中,对坡体刚性假定和加速度沿坡高恒定的不足进行了改进,推导出主动、被动土压力的计算公式。结合实际工程分析了墙后填土面倾角、填土内摩擦角、挡墙与填土界面摩擦角对于总土压力大小的影响,并与传统的拟静力法和拟动力法进行了比较,结果表明:地震土压力随着时间呈一种类似正弦或者余弦状波动;随着墙后填土面倾角增大挡土墙地震总主、被土压力的也呈逐渐上升趋势;随填土内摩擦角、以及挡土墙与填土界面摩擦角的增大挡土墙地震总主动土压力逐渐减小,而被动土压力则随之增大;传统的计算方法由于计算值偏小而不安全。     

地震荷载下双腹板-顶底角钢连接半刚接钢框架的动力特性研究

利用大型有限元分析软件ANSYS对双腹板、顶底角钢半刚性连接的钢框架进行了三维弹塑性动力有限元分析。该分析采用了有限元实体建模,考虑了钢框架连接节点的非线性、几何非线性以及材料非线性等因素。通过有限元数值模拟分析得出了在地震荷载作用下,半刚性节点刚度的变化对钢框架的基本自振周期、楼层剪力、楼层位移、楼层加速度和节点的弯矩-转角关系的影响规律,并将部分数值模拟分析结果与拟动力试验结果进行对比,发现这两种研究方法所得结果基本一致。通过该文的分析,得出了节点刚度的变化对结构动力特性影响的一般规律,为今后高层钢结构设计和钢结构规范的修改提供了一定的理论依据。     

多向地震作用下土-框筒结构动力响应试验研究与数值模拟

为研究土—框筒结构动力相互作用体系在多向地震作用下的动力响应,对20层框筒结构的土—结构动力相互作用(SSI)模型和刚性基础(FB)模型分别进行了多向地震作用的振动台试验。通过试验数据的模态识别,分析了SSI和FB两种模型在不同工况下的固有频率、阻尼比和振型的差别。将不同烈度地震作用下SSI模型上部结构水平方向的峰值加速度、最大层间位移、最大层间位移角以及最大动应变进行对比,分析了单向水平和多向地震作用下SSI模型水平方向动力响应的差别;通过对比SSI和FB两种模型在多向地震作用下上部结构的竖向峰值加速度和层间位移,分析了土对结构竖直方向动力响应的影响;采用有限元软件ANSYS对试验模型和工况进行数值模拟,验证了试验结果的可靠性。研究成果可为框筒结构高层建筑的抗震性能研究提供参考。     

砂土中刚性挡墙不同主动变位模式任意位移土压力计算

已有模型实验及现场实测表明,刚性挡墙随着变位模式和位移量的变化,主动土压力合力和分布均发生改变,有时甚至与经典理论的线性分布有很大不同。采用中间状态系数定义非极限状态,提出了砂土中刚性挡墙不同主动位移模式下非极限状态土压力合力系数的计算公式;将墙后土体简化为连续非线性弹簧和刚塑性体的组合体作用在挡墙上,得到了不同位移模式任意位移的土压力分布和合力作用点高度。与已有理论方法和实验结果对比表明,该文方法在三种典型位移模式下与实验数据吻合更好。研究还发现,平动模式土压力呈线性分布,其合力随挡墙位移量的增大易趋于稳定并到达极限状态;绕墙底和绕墙顶转动模式下土压力合力随着位移增大只能接近极限状态且呈非线性分布。绕底转动时,土压力分布曲线逐渐向上凹,合力作用点高度趋于降低;绕顶转动时,分布曲线则逐渐向上凸,合力作用点高度趋于升高,墙顶附近表现出明显的土拱效应。     

考虑土-桥台-上部结构相互作用的曲线桥抗震性能研究

对国内外历次地震中桥台震害进行了梳理。介绍了简化桥台模型、弹簧桥台模型、弹性梁单元桥台模型等几种针对城市桥梁桥台的典型数值模拟方法;以某立交G匝道曲线梁桥梁为工程背景,建立考虑土-桥台-上部结构相互作用的不同精细化程度的数值模型,开展人工地震动条件下的非线性动力时程反应分析,对比分析不同数值模型的计算误差;在此基础上选取合理数值模型,对桥梁曲率半径进行变参数研究,探讨墩底内力、墩梁相对位移以及台梁相对位移的变化规律。研究发现:提高土-桥台-上部结构相互作用的模拟精细化程度可以更准确地反映桥梁边墩的地震响应,特别是弹性梁单元桥台模型可综合考虑桥台的动力响应,值得推荐;考虑土-桥台-上部结构相互作用条件下,曲率半径越小,各桥墩横向内力及位移差异越明显,建议在进行曲线桥梁抗震设计中应予以重视。     

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。     

隧道纵向地震反应分析的反应位移法对比

针对地下隧道结构纵向地震反应问题,《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)采用了纵向反应位移法,在一定程度上考虑了地震动作用下土体与地下结构的相互作用。而纵向整体式反应位移法,是一种可用于非一致地震动输入时隧道等长线型地下结构抗震分析的实用方法。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,采用规范方法和纵向整体式反应位移法完成了出平面剪切波斜入射下隧道结构纵向地震反应计算,并与动力时程法的计算结果进行对比。结果表明,规范方法计算模型中离散的地基弹簧无法反映地基土体之间的相互作用、可能导致内力(主要是剪力)计算出现较大的误差;假定沿隧道纵向土层位移分布为正弦波式的规范方法由于正弦波型与实际情况不符,导致内力计算结果与动力时程结果相差过大;而以自由场位移时程作为等效地震作用的规范方法计算得到的最大弯矩具有良好的计算精度,但最大剪力与动力时程方法相差较大,同时这一方法需完成所有时间步的静力计算才能获得结构最不利地震反应,影响了计算效率。而纵向整体式反应位移法可以有效模拟地震作用下地基土对结构的约束作用、简便的判断结构最不利地震反应时刻,具有良好的计算精度、较高的计算效率,能够反映地震波作用下非一致地震动输入对隧道纵向地震反应的影响。     

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。     

隔震斜交连续梁桥地震反应及环境温度影响研究

针对斜交桥震害特点及低温环境改变隔震支座力学特性现象,以用铅芯橡胶隔震支座的斜交连续梁桥为例,采用Hertz-damp模型考虑梁体与桥台的碰撞作用。基于OpenSees地震分析平台建立动力分析模型,分析桥墩位移、墩底反力、碰撞力、梁体旋转度与斜交桥斜度关系及梁端碰撞力分布规律。在对比不同隔震支座温度特性修正方法差异基础上,讨论隔震斜交桥梁地震反应与环境温度及斜度关系。结果表明,梁体双向水平与平面内转动耦合使梁体与桥台在其钝角处先发生碰撞,而碰撞作用会加剧梁体转动;低温引起的支座特性改变将会放大桥墩地震反应,若不计其影响,在0℃、-10℃、-30℃条件下,与常温(23℃)相比墩底剪力及弯矩会被低估10%、20%、40%。     

行波效应对深水连续刚构桥地震响应的影响

跨海或库区的大跨度桥梁在地震作用下不仅需要考虑水体与桥墩的动力相互作用,同时由于各桥墩间跨度较大应考虑地震输入的行波效应。该文采用辐射波浪理论求解桥墩地震动水压力,建立了考虑地震动输入空间效应的深水桥梁地震响应分析方法,并考虑行波效应对深水连续刚构桥进行地震响应分析。研究表明:动水压力增大了桥梁结构的地震响应,其影响程度随着输入地震波和墩梁约束条件的不同而有所差异;考虑行波效应时地震动水压力对桥梁结构动力响应的影响较一致激励而言有所差别,同时地震动水压力对桥梁地震响应的影响随着视波速的不同而变化。由此得出结论,为合理评价地震动水压力对深水长大桥梁动力响应的影响应考虑地震动输入的行波效应。     

某深水大跨桥梁水下振动台试验研究

深水大跨桥梁若发生地震,将会造成严重的破坏;桥梁横桥向抗震研究已经取得一定进展,对纵桥向抗震研究较少。以某深水大跨桥梁结构为原型,根据弹性相似准则,以规范波、El-Centro波和汶川地震波为输入地震动,进行大比尺全桥结构纵桥向水下振动台试验,分析了桥梁加速度动力放大系数、峰值加速度、峰值应变及峰值动水压力的变化情况,研究了桥梁结构在不同地震波、不同水位、不同峰值加速度作用下的动力响应规律。结果表明：全桥结构的基频规律与单一桥墩的不同,正常水位和半水水位比无水环境下的一阶频率分别增加0.11%和0.06%,而二阶频率分别减小0.07%和0.03%;地震作用下,水的存在会影响结构的动力响应,桥梁结构的动力响应与输入的地震频谱特性和水位高低有关,动水压力在桥梁最低端最大,且动水压力影响桥梁结构的应变。     

芯筒式双法兰刚性连接平面及减震框架试验对比分析

该文提出一种芯筒式双法兰刚性连接平面钢框架及其减震框架,设计并完成了两种框架的子结构拟动力试验,通过对比分析两榀框架的滞回性能、典型部位应变变化、抗侧刚度、耗能能力等指标,研究该类框架的抗震性能。结果表明:在8度多遇及设防地震作用下,中间柱型摩擦阻尼器可以提供刚度,控制层间位移角,减轻甚至避免结构塑性损伤;在8度罕遇、8度(0.30 g)罕遇、9度罕遇地震作用下,中间柱型摩擦阻尼器进行滑移摩擦耗能,耗能能力稳定,有效延缓结构塑性损伤,减震框架结构刚度、耗能能力均优于平面框架,平面框架和减震框架芯筒式双法兰刚性连接节点抗震性能良好且减震框架节点抗震性能优于平面框架。     

隧道纵向地震反应分析的整体式反应位移法

对于非一致地震动作用下隧道纵向地震反应问题,采用地下结构横断面地震反应的整体式反应位移法的基本原理,给出了一种根据自由场地震反应确定隧道纵向反应最不利变形和最不利内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法,提出了适用于地下隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法。该方法通过自由场静力分析模型,根据隧道埋深位置处的自由场最不利变形确定等效地震作用,通过隧道结构-地基整体模型的静力计算获得隧道结构的最不利地震反应。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,分别采用纵向整体式反应位移法和动力时程分析方法进行了出平面剪切波入射下隧道结构纵向地震反应计算,并将二者的计算结果进行了对比与分析。结果表明,该文提出的纵向整体式反应位移法概念明确、过程简便,具有良好的计算精度,可用于非一致地震动输入下隧道等长线型地下结构的抗震分析。     

移动车辆作用对公路连续梁桥地震反应特性的影响

随着汽车保有量的增加,地震发生时车辆在桥上存在车辆作用的概率大大增加。为探讨移动车辆对公路连续梁桥地震反应特性的影响,以3×40 m的连续T梁桥和汽车—超20级车队为研究对象,根据车轮与桥面接触点的作用力和位移协调条件,首先给出了移动车辆作用下连续梁桥地震反应的分析方法,然后考虑车辆本身动力特性的影响,采用多自由度的车辆模型组合成车队荷载模型,并借助ANSYS的APDL参数化语言编制了相应的分析程序,利用该程序分析了中低强度三向地震动作用下移动车辆作用对连续梁桥地震反应的影响参数。分析结果表明:典型三向地震动作用下,移动车辆对不同地震波作用下的连续梁桥地震反应有明显的影响,其影响程度与车速、轮胎刚度以及桥梁墩高直接相关。随着桥面上横向加载车道数的增加,顺桥向的墩底弯矩及支座位移逐渐减小,而横桥向的墩底弯矩及支座位移则逐渐增大,但响应的变化率随车道数增加而逐渐减小。车辆对桥梁地震响应的影响随着车速的变化和车身重量的变化而改变,但路面不平度的改变对移动车辆作用下桥梁地震反应影响甚微。部分研究成果与前人的研究结论相一致,但有些成果仍有待更进一步的试验验证。     

基于小波包能量的地基土对框筒结构地震损伤影响试验研究

为获得地基土对高层框筒结构地震响应的影响,建立了固定基础体系和土-结构相互作用体系两种振动台试验模型。通过振动台试验,获得了两种试验模型在不同烈度地震作用下各楼层的加速度时程,以及地震前后白噪声扫频数据;首次从小波包能量角度出发,对比分析了两种试验模型在不同工况作用下上部结构的能量分布、振动基频变化以及易损伤部位的差别;研究结果表明:相比刚性基础体系,地基土能够显著降低上部结构所吸收的地震能量和振动基频,改变结构的能量分布和易损部位;研究成果可为高层框筒结构的抗震性能研究提供参考。     

土-建筑群动力相互作用的数值模拟

针对土与建筑群的动力相互作用问题,该文建立了土与结构动力相互作用研究的被研究块体模型,给出一种处理建筑群与地基动力相互作用研究的波动数值方法。该方法便于研究城市中建筑群的地震响应。数值模拟结果表明:城市中建筑群的存在会使地震地面运动响应出现长尾波现象,竖向地震作用对结构的水平地震响应影响很大。