桥梁结构地震反应邻梁碰撞分析等效刚体模型

在基于直杆共轴碰撞理论建立的桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型基础上,结合动量守恒定律和能量守恒定律,给出了与之等效的刚体碰撞模型,所定义的等效恢复系数r由邻梁长度比12/ll和碰撞弹簧刚度比a唯一决定。一座实际桥梁地震反应邻梁碰撞效应分析表明,等效刚体碰撞模型可以得到与弹性杆碰撞模型几乎一致的结果。     

强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞效应的影响研究

大跨斜拉桥一般采用飘浮体系或者弹性约束体系,其在强震作用下梁端会发生很大位移,梁端的过大位移可能会导致主梁与相邻跨引桥的碰撞,使整个结构丧失整体性。本文针对强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处的碰撞现象,以一座典型大跨斜拉桥为例,建立了考虑引桥墩柱、塔柱弹塑性的空间非线性碰撞模型,采用非线性时程法研究了大跨斜拉桥伸缩缝处相邻跨梁体碰撞对桥梁结构地震反应的影响。研究结果表明：由于大跨桥梁结构主、引桥结构体系不同,在强震作用下主引桥相邻梁体易发生碰撞,碰撞不仅会产生很大的撞击力,而且使引桥地震力需求、引桥梁端位移、主引桥相对位移及引桥梁体搭接长度需求有较大增长,极易造成引桥的落梁或者破坏;而碰撞效应对主桥的地震需求影响较     

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。     

地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。     

横桥向地震作用下简支梁桥偏心碰撞反应参数研究

汶川大地震中桥梁结构横向抗震挡块遭到严重破坏,其中部分是由于梁体与其发生碰撞所致。针对桥梁结构横向抗震挡块与梁体在强震作用下的碰撞现象,建立了考虑上部结构与挡块间偏心距、支座非线性和墩柱弹塑性的横桥向单墩碰撞模型。采用非线性地震反应时程分析方法,详细研究了偏心距、碰撞刚度、初始间隙、桥墩线刚度、上部结构与盖梁质量比、上下部结构周期比以及墩柱弹塑性等参数对桥梁结构横向地震反应的影响。结果表明：考虑偏心的碰撞进一步增强了系统的非线性,低高度梁(e<70cm)不考虑偏心碰撞分析可能导致不保守的结果,需引起重视。     

地震作用下中小跨度梁桥横向碰撞参数影响分析

地震作用下挡块与主梁的横向碰撞是影响桥梁结构地震响应的重要因素,目前缺乏针对城市高架桥中广泛使用的双柱式小箱梁结构横向碰撞问题的研究。以此类桥梁的典型工程为代表,建立了空间有限元模型,利用Kelvin 模型对横向碰撞进行了准确模拟,重点探讨了接触单元刚度、挡块-主梁间隙、桥墩墩高、场地类别、上部结构与盖梁质量比等关键因素对双柱式小箱梁结构桥梁地震响应的影响。研究结果表明：碰撞刚度、碰撞间隙对双柱墩墩底内力有较大影响,应尽可能通过试验予以确定;场地特性、上部结构和盖梁质量比、桥墩高度等设计参数,均会对桥梁的地震受力产生较大影响,因而应在设计选型时进行适当的调整,并尽可能选择坚硬场地下高墩轻质主梁结构体系,研究成果可为同类高架桥的设计提供技术支持。     

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。     

桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的对比分析

地震时邻梁间的碰撞是引起桥梁局部损坏甚至落梁的主要原因。为合理分析桥梁的地震碰撞响应, 基于所开发的结构精细化模拟分析平台FENAP, 对比分析了桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的计算精度和适用条件。在FENAP平台上引入线性弹簧、Kelvin-Voigt、Hertz和Jan-Hertz-damp等四种接触单元模型, 建立了结构地震碰撞分析平台, 并通过数值验证以及对正弦波和地震动激励下的模型试验的数值分析, 对比分析了不同接触单元模型对结构碰撞响应的影响。研究表明:所建立的结构地震碰撞分析平台具有较高的计算精度和效率;在四种接触单元模型中, Kelvin-Voigt和Jan-Hertz-damp模型的计算精度和适用性更高, 而线性弹簧和Hertz模型, 由于未考虑碰撞过程中的能量损失, 仅适用于恢复系数较高的近似弹性碰撞情况。     

大跨度悬索桥主引桥碰撞效应振动台试验及数值研究

为了研究大跨多塔连跨悬桥与引桥间的碰撞效应,以泰州长江公路大桥为背景,设计并制作1/40缩尺比例模型,进行了全桥振动台模型试验。主桥采用中塔与主梁间无连接的纵向约束结构体系,边跨梁每幅采用2个固定支座和4个聚四氟乙烯滑板支座,初始伸缩缝间隙为3 mm,试验分别测试了3条地震波下主引桥间的碰撞响应。振动台试验表明,主桥与引桥相互靠近运动时,主引桥间的碰撞会减小引桥梁位移及固定墩内力的需求;当主桥追逐引桥运动时,主引桥间的碰撞会增大引桥梁位移及内力的需求。数值模拟结果表明:采用SAP2000商业软件组合Kelvin单元,接触刚度取引桥梁轴向刚度的0.2倍时,能较好的模拟试验结果;接触刚度取值可为相似桥梁碰撞效应模拟提供试验参考。     

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.     

地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响

在等墩高的多跨连续梁桥中,虽然相邻联的基本振动周期完全相同,地震动的行波效应可能导致伸缩缝处相邻梁体间发生碰撞。采用接触单元模拟伸缩缝处相邻梁体间的碰撞,采用阻尼器来反映碰撞过程中的能量损失,应用非线性时程方法研究了地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响。研究结果表明:地震动的行波效应在伸缩缝处相邻梁体间引起较大的相对位移,导致相邻梁体间发生碰撞,碰撞力的大小随表面视波速不同而不同。行波效应引起的伸缩缝处相邻梁体间碰撞,可能增大伸缩缝处相邻梁体间以及墩梁间相对位移,甚至造成上部结构在地震中发生落梁破坏,在连续梁桥的抗震设计与评估中,应该引起足够的重视。     

地震作用下桥梁结构横向碰撞模型及参数分析

针对桥梁结构在地震作用下梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性时程积分法,研究了横向地震作用下梁体与挡块间的碰撞效应。通过对刚体碰撞模型分析,推导出阻尼常数与恢复系数间的关系表达式,在此基础上建立了能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞模型,并对碰撞刚度、初始间隙、恢复系数以及桥梁跨径等参数进行了影响分析。分析结果表明:最大撞击力随碰撞刚度和桥梁跨径的增大而增大,但随初始间隙的变化规律不明显;恢复系数对碰撞效应影响很大,忽略碰撞过程中的能量损失会高估碰撞反应。为减轻梁体与横向挡块间的碰撞效应,提出了挡块刚度的合理取值。     

连续桥面简支梁桥静动力特性的理论分析方法研究

简支梁桥多跨连续布置带来大量伸缩缝,对行车舒适性和结构维护造成不利影响,因此用连续桥面板代替伸缩缝正成为改进该类桥梁性能的一种处理方式。但是对这种部分连续的桥梁结构,其力学分析理论尚不完善,阻碍了相关的工程应用和优化。因此,针对连续桥面简支梁桥,提出了一种带边界转动弹簧的简支梁模型,弹簧刚度通过对连续桥面和相邻简支梁的拉压、弯曲和剪切分析得到。基于该模型,可以用类似于传统简支梁的分析方法,对这种非传统的桥梁结构进行静力和动力特性分析,获得该类桥梁静力变形、内力、自振频率与模态的计算公式。实例计算表明,由理论公式得到的边界转动弹簧刚度与三维有限元分析结果吻合;采用考虑边界转动弹簧的模型后,桥梁静力挠度、应变、自振频率的计算值接近实桥测试值,优于普通简支梁计算结果,因此可以用于连续桥面简支梁桥的力学分析。     

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。     

Quasi-static and fatigue performance of a cellular FRP bridge deck adhesively bonded to steel girders

This paper describes the quasi-static and fatigue performance of hybrid bridge girders composed of cellular FRP bridge decks and steel girders. The FRP bridge deck is connected adhesively to the steel girders and acts as the top chord of the hybrid section. Compared to a reference steel girder, the stiffness and quasi-static load-carrying capacity of the hybrid girders were considerably increased due to composite action between the FRP decks and the steel girders. Failure due to quasi-static loading occurred in the FRP decks during yielding of the bottom steel flanges. The adhesive bond between the FRP decks and the steel girders showed no signs of damage due to fatigue loading. The results of the investigation showed that the well-established design method for steel–concrete composite girders with shear stud connections can essentially be used for the design of such FRP-steel girders. The principal modifications necessary for design are proposed.     

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。     

Failure study of a bridge subjected to pounding and sliding under severe ground motions

Under strong ground excitations, highway bridge structures may experience severe nonlinear behaviors including the yielding and plastic deformation of pier members, and sometimes the pounding between adjacent decks induced by the local failure of hinge bearings necessary for restraining the girders. A kind of hinge bearing requires the use of steel dowels and is typical in many existing bridges. The objective of this study is to investigate why such hinge bearing did not function and how it contributed to the deck-falling failure of one particular highway bridge stricken by the 1999 Chi–Chi earthquake (magnitude 7.3) in Taiwan. To achieve this, incremental time history analyses for discrete dynamic systems are conducted on a group of models that incorporate sliding and impacting elements, to address nonlinear behaviors as a result of the failed bearing. Causes for discrepancy in bridge responses to seismic motions between the designed and the observed are disclosed by means of comparative study of models based on different scenarios. The study demonstrates that details of the bearing can significantly change overall behaviors of a bridge. In order to ensure the expected performance of a bridge during severe earthquakes, both designer and constructor should exercise caution.     

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。