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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

多维地震激励下结构碰撞振动台试验及碰撞影响参数研究

针对强震作用下桥梁结构碰撞导致灾变严重的问题,设计并制作四组变参数的结构碰撞多维激励地震模拟振动台试验,研究不同地震烈度和维度对相邻结构间碰撞响应的影响。结果表明:地震加速度峰值越大,维度越多,相邻结构间的碰撞力越大;不同碰撞单元均可模拟出结构间的最大碰撞力,但宜在碰撞计算中选择精度较高的Jan-Hertzdamp模型;碰撞模型中接触刚度的取值导致计算结果不一定能真实反映结构间的碰撞响应,且不同地震波也有可能使结构的计算碰撞刚度取值得到改变;碰撞间隙的大小对结构间最大碰撞力的影响并无统一规律,应针对不同的结构,计算其最优碰撞间隙;桥墩高度越矮,相邻梁体间的碰撞力越小,但墩底的冲剪作用却越明显;相邻结构之间的碰撞力及墩底剪力随其质量比和碰撞恢复系数的增大而增大,且对于不同地震波,其增大的幅度不尽相同。     

粘弹性支座RC梁在低速冲击下的动力响应计算

给出了基于Hertz接触理论的冲击体与梁结构之间的局部接触力-接触变形关系。根据弯曲理论,建立了具有粘弹性支座钢筋混凝土梁在低速冲击作用下的弹塑性动力响应计算方法,并通过算例分析了冲击速度、支座刚度和支座阻尼对动力响应的影响。分析发现:梁的总位移随冲击速度增大而增大,当冲击速度足够大时梁将出现塑性变形。支座条件对梁的动力响应有较大影响,梁的总位移最大值随支座刚度增大而减小,而相对位移最大值随支座刚度增大而增大,振动频率随支座刚度增大而明显增大;梁的总位移最大值随支座阻尼增大而减小,相对位移最大值随支座阻尼变化不明显,位移幅值衰减值随支座阻尼增大而增大,但振动频率不受支座阻尼影响。结果表明:采用粘弹性支座既能减小钢筋混凝土梁的相对位移幅值,又能加速梁的位移幅值衰减,提高了梁结构的抗冲击能力。     

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。     

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。     

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。     

颗粒弹塑性碰撞理论模型

以Hertz弹性接触力学为基础,假设材料为弹塑性强化材料,并考虑接触压力作用下颗粒球体接触面上材料进入塑性阶段后的应力调整与释放,提出了一种新的颗粒弹塑性接触理论。以此为基础,在准静态假设的基础上,研究了颗粒间的弹塑性碰撞问题,推导了相应的计算公式,并与其它弹塑性接触模型进行了比较。结果表明:按照该文模型预测的荷载变位曲线介于Hertz弹性解和Thornton解之间;强化系数越高,荷载变位曲线越接近Hertz弹性解,强化系数越低,越接近Thornton解,Thornton模型为该文模型的一个特例。在颗粒弹塑性碰撞过程中,本文理论预测的冲击力远远小于Hertz弹性解的预测结果,更与实际情况相符。