大跨度三塔悬索桥动力特性及抗震性能研究

结合泰州长江公路大桥的工程设计实例,研究了该桥的动力特性及地震反应的特点.采用反应谱和时程分析法对该桥进行了线性地震反应分析,探讨了大跨度三塔悬索桥地震反应的特点.分析了竖向地震动、中塔与主梁之间的纵向弹性索和高阶振型对该桥抗震性能的影响.结果表明:竖向地震动对主梁弯矩和边塔的动轴力贡献较大;在中塔与主梁之间采用弹性索对中塔内力反应影响不大,但可以明显减小了边塔弯矩、主梁梁端位移以及主梁与次边跨间相对位移,对结构抗震有利;高阶振型对主塔的地震反应影响很大,主塔的地震反应主要由高阶振型引起的.     

跨走滑断层斜拉桥地震响应特性研究EI北大核心CSCD

为揭示跨走滑断层斜拉桥的地震响应规律,以一座主跨360 m的斜拉桥为对象,采用OpenSees建立全桥三维非线性动力分析模型,以3组带有永久位移的走滑断层地震动作为输入,重点关注跨断层地震动作用下不同构件的响应特点。通过对比跨断层和近断层斜拉桥的地震响应以研究断层跨越效应的影响,同时分析斜拉桥在不同永久位移幅值和断层跨越角度时的响应规律。研究结果表明:相比于近断层斜拉桥,跨断层斜拉桥的地震响应显著增大,这主要体现于下塔柱横向响应、桥墩的纵向和横向响应、主梁的横向弯矩和扭矩,同时桥塔和主梁在震后还会有很大的残余变形;永久位移幅值和断层跨越角度是影响结构响应的重要因素,当跨越角度不为90°时,桥塔的纵向和扭转响应随永久位移呈增大趋势,桥塔也表现出纵向大残余变形,因此垂直跨越对桥塔一般较为有利,但此时主梁的横向及扭转响应又较非垂直跨越时更大,且对永久位移的大小很敏感;此外,受索、塔、梁之间耦合效应的影响,主梁的竖向响应和索力在非垂直跨越断层时也会发生较大改变。     

行波效应对大跨度多塔斜拉桥地震反应影响

结合一座大跨多塔斜拉桥工程设计实例,采用动态时程分析方法,对比研究了桥塔、主梁之间纵向固定以及纵向活动两种约束方式下,行波效应对各自结构体系纵向地震反应的影响。分析表明:对于多塔斜拉桥,行波效应对结构各桥塔塔底内力,以及各联梁端、各桥塔塔顶位移响应的影响不同。对于不同桥塔、主梁纵向约束体系的多塔斜拉桥,行波效应对其地震响应的影响程度也不同;塔、梁纵向固定的情况下,行波效应的影响较大,反之,塔、梁纵向活动的情况下,行波效应的影响较小。     

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。     

近断层地震作用下弹性位移反应谱的研究

为研究近断层地震作用下基于位移的抗震设计方法,选择了30次地震,132组近断层地震记录作为统计样本,根据得到的平均弹性位移反应谱,给出了近断层地震设计弹性位移反应谱表达式,该表达式可以反映震源机制和场地土等因素的影响作用。研究结果表明：提出的近断层地震弹性位移设计反应谱与实际地震波平均弹性位移反应谱较为接近,可以应用于近断层地震作用下结构的抗震设计中。     

三塔两跨悬索桥行波效应振动台试验及数值研究

为了研究行波效应对大跨多塔连跨悬索结构抗震性能的影响,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。采用中塔与主梁间弹性索连接的纵向约束结构体系,试验分别测试了不同视波速下行波效应对全桥位移响应的影响。振动台试验表明,考虑行波效应时,中塔顶位移、北塔梁纵向相对位移会有明显增大,最大增幅在50%以上;主桥梁与引桥梁纵向相对位移也会有明显增大,增大幅值在1倍以上。因此,仅考虑一致地震激励不能保证大跨度多塔悬索桥的结构安全。通过比较试验结果和数值计算结果可以发现,试验结果与有限元数值模拟结果较为接近、吻合较好。数值计算所采用的绝对位移法分析行波效应方法操作简单,力学概念清晰,可方便的应用到大跨度桥梁行波效应分析中。     

方向脉冲及竖向效应对高铁桥梁地震响应影响EI北大核心CSCD

近断层地震会给桥梁带来严重损害,其方向脉冲及竖向地震动效应日益引起研究者注意。以高速铁路多跨简支梁桥为研究对象,建立高烈度区地震作用下的非线性全桥模型,计算了水平及竖向地震作用下桥梁的弹塑性响应。结果表明:近断层地震下桥墩进入弹塑性阶段,刚度的改变其自振周期随之改变。相比远断层地震而言,近断层地震以其较大的脉冲周期与进入弹塑性的桥梁相耦合,将加剧桥梁的非线性响应。考察了竖向地震动对桥梁地震性能的影响,通过轴力变化改变影响桥墩滞回性能,增加塑性区变形,但不会导致墩顶横向位移的增加。建议设计时采用近断层地震因子及合适的竖向地震动参数考虑近断层效应的影响。     

考虑LRB环境温度效应及铅芯发热的隔震斜交桥近断层地震反应分析EI北大核心CSCD

低温环境和铅芯发热会引起铅芯橡胶支座(lead rubber bearing,LRB)力学特性的变化。为探讨其对支座力学性能的影响,从铅和橡胶材料特性层面对支座力学性能进行修正,以考虑低温对支座力学特性的影响;采用强度退化力学模型考虑LRB往复运动时内部铅芯发热对其力学特性的影响。基于OpenSees地震分析平台建立动力分析模型,研究在近断层地震动作用下隔震斜交桥地震反应与环境温度、铅芯发热及斜度的关系。研究表明:低温环境会使梁体旋转度和支座的位移响应明显减小,桥墩的地震反应显著增大,铅芯发热对桥墩和支座地震反应影响较小;当环境温度和铅芯发热共同作用时,桥墩纵、横向墩底剪力和扭矩都被显著放大,低温环境对其地震反应起主导作用;在同一低温下,桥墩纵向墩底剪力和扭矩的放大程度随着斜度的增大而逐渐增大,在-30℃低温下,斜度为60°斜交桥桥墩的纵向剪力和扭矩分别被放大20%和39%。     

考虑桥塔风效应的多塔斜拉桥抖振响应分析

该文以6塔斜拉桥——嘉绍大桥为研究对象,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,研究了多塔斜拉桥主梁和桥塔在强风作用下的抖振响应特性,并详细考察了自激力和桥塔风效应对主梁和桥塔抖振响应的影响。分析结果表明:1) 主梁与桥塔的风致抖振响应与结构的振动特性联系紧密,其抖振响应由于主梁与桥塔的动力耦合作用呈现出一定的独特性;2) 考虑自激力后主梁竖向抖振响应明显减小,而对主梁横桥向和扭转抖振响应影响相对较小。同时,自激力对桥塔的横桥向抖振响应基本没有影响,但对桥塔的顺桥向抖振响应起到了明显的抑制作用;3) 桥塔风效应对主梁的竖向和扭转抖振响应以及桥塔的顺桥向抖振响应基本没有影响,但会对主梁和桥塔的横桥向抖振响应产生较大影响。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

近断层地震动斜输入下水电站厂房非线性地震响应研究

与远场地震动相比,近断层地震动往往有较大的速度和位移脉冲效应,且由于其发震断层埋深较浅,地震波垂直地表向上入射假定一般不再适用。目前关于水电站厂房抗震研究均未考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。选取符合某水电站场地条件的近断层脉冲型和非脉冲地震动记录各5条,依据波动理论,采用黏弹性动力人工边界法,推导了SV波三维斜入射下的人工边界等效结点力计算公式,并进行了算例验证。建立了水电站厂房三维塑性损伤有限元分析模型,分析了水电站厂房在脉冲型和非脉冲地震动垂直和斜输入条件下的非线性地震响应。结果表明,近断层脉冲型地震动斜输入可以激起厂房结构的高阶振型,引起水电站厂房下部结构较大的损伤、位移、及应力响应,对厂房的破坏作用最强。     

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。     

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。     

基于中国规范的近断层区竖向抗震设计谱研究

针对近断层区结构抗震设计缺乏专门竖向抗震设计谱的现状,以近断层竖向地震动为研究对象,基于《建筑抗震设计规范》,开展近断层区竖向抗震设计谱的研究。选取198条近断层脉冲型地震动的竖向分量,分析得到实际近断层地震动竖向反应谱,将计算得到的反应谱与中国抗震规范中的近断层竖向设计谱进行了对比。研究结果表明,中国抗震规范未充分考虑近断层竖向地震动的特点,表现为部分周期段上规范设计谱的谱值小于实际近断层竖向地震动反应谱,难以保证近断层区结构具有足够的抗震安全性。根据近断层竖向地震动的分析结果,基于中国抗震规范设计谱的基本形式,提出了谱值放大系数取1.5、特征周期下限取0.40 s(多遇地震)和0.45 s(罕遇地震)及减小曲线下降段衰减系数的修正方法。该竖向抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区的结构竖向抗震设计提供参考。     

近场地震作用下组合横梁桥塔的悬索桥地震响应研究

在近场地震作用下,为减小桥塔塔身弯矩,悬索桥桥塔创新性地设置波形钢腹板横梁。以大渡河大桥为研究对象,基于横梁拟静力试验数据,建立结构动力数值计算模型并输入不同类型的近场地震动计算结构的地震响应,探究采用波形钢腹板横梁悬索桥的优势和近场效应对结构响应的影响规律。研究表明:采用波形钢腹板横梁的桥塔有自重轻、刚度小的优势,更符合强柱弱梁和强剪弱弯;在高烈度的近场作用下,以波形钢腹板横梁的延性作为抗震策略是合理的。脉冲效应对本桥响应影响较大,因此建议此类型桥梁应重视近场脉冲效应;而上盘效应对本桥的响应小于无近场效应的地震动,故处于上盘的桥梁是更安全的;在横向地震激励下,近场脉冲效应对主塔的位移和弯矩影响较大。     

圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究

以含钢率和套箍系数为参数,开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验;而后,采用已验证的有限元模型,对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明,高强钢管UHPC梁发生延性破坏,组合截面满足平截面假定,受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管,高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加,钢管混凝土梁达抗弯承载力时,中性轴趋近截面中线,受拉区钢管应力减小,受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现,对于高强钢管UHPC梁而言,现有中国规范GB50936?2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题,为此该文提出了新实用计算方法。     

碰撞对高铁简支桥梁横向地震响应影响的振动台试验研究

地震所导致的碰撞是影响桥梁结构地震响应的一个重要因素。该文以32 m标准跨径高铁简支梁桥为研究对象,按1/6缩尺比设计及制作了单跨桥梁振动台试验模型,并针对以往点-面接触碰撞测力装置不能真实反映原型结构碰撞接触形式的不足,设计了一种新型面-面接触的碰撞测力装置。通过振动台试验研究了桥梁模型在地震激励下的横向碰撞效应,并通过快速傅里叶变换（FFT）从频域角度分析了碰撞对桥梁结构横向地震响应的影响。结果表明:新型测力装置能够较为准确地测得挡块与垫石之间的碰撞力时程;挡块与垫石间的碰撞限制了墩梁间的横向相对位移的发展,但会放大桥墩墩底弯矩响应和梁体加速度响应。在不考虑挡块时,桥梁结构的地震响应功率谱在低频区（结构基频附近）具有较高的幅值,即地震响应主要受结构基频控制;而在设置挡块后,碰撞改变了地震响应的频率分布,在高频区的功率谱幅值明显增大。     

三维地震动作用下适用于高耸结构的地震动强度指标

烟囱、水塔和广播电视塔等高耸混凝土结构属于高柔的悬臂结构。现有的地震动强度指标多集中于一维或二维地震动作用下的建筑结构,而高耸混凝土结构对竖向地震极其敏感,有必要开展考虑竖向地震动作用的地震动强度指标研究。该文针对混凝土烟囱和水塔结构,提出了一种同时考虑高阶振型和周期延长效应的复合型地震动强度指标,并分别在三维远场地震动和近断层脉冲地震动输入条件下,对该指标的充分性和有效性进行分析和检验。通过和既有的15种地震动强度指标的有效性对比,发现该文提出的指标在三维条件下对这类结构具有较强的适用性。因此,该指标可作为评价高耸混凝土结构抗震性能的一个合理的指标。