地震作用下高墩铁路桥梁梁体碰撞间隙宽度需求机理分析

为了研究不同场地条件对高墩铁路桥梁梁体碰撞间隙需求的影响机理,也为既有桥梁的碰撞间隙宽度评估和新建桥梁碰撞间隙宽度的计算提供理论依据。首先,建立了多点激励地震动空间模型,推导了场地条件与桥梁墩底处地震加速度的关系;其次,建立了高墩铁路桥梁的有限元模型,并推导了高墩桥梁梁体碰撞间隙宽度需求量与场地条件和震级的关系;最后,以实际高墩铁路桥梁为依托,研究了不同震级不同场地分布对桥梁碰撞间隙宽度需求的影响,并与实际场地（非一致场地）分布计算结果进行对比分析。研究表明：一致场地分布时,软场地对高墩桥梁碰撞间隙宽度需求的功率谱密度峰值最大,硬场地最小,相差约4倍~6倍;实际场地时,间隙宽度的功率谱密度函数相位变化较大,碰撞次数增多;不同震级碰撞间隙宽度需求对比时,实际场地响应均值比硬、中、软一致分布场地分别大76%、71%、42%。     

地震作用下结构碰撞的模型参数及其影响分析

地震作用下,结构的碰撞问题被认为是影响结构地震反应和结构抗震性能的一个重要因素,碰撞是一种十分复杂的非线性问题,在计算分析中涉及到较多参数,需要分析其模型参数对碰撞现象以及结构的影响。通过单墩模型分析研究,在尽量少的参数变化下,初步得到了桥梁结构发生碰撞时模型参数对碰撞及结构的影响。     

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α、邻梁长度比l₂/l₁和阻尼比ξ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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同工况下含间隙铰链接触碰撞力特性研究

为了更加准确地研究不同工况环境对含间隙铰链接触碰撞力的影响,以提高空间机构的运行及空间指向精度,基于分型理论、Lankarani-Nikravesh模型及宏微观理论,考虑摩擦与微凸体间的阻尼等因素,得到了新的含间隙旋转运动副元素间接触碰撞力模型,并通过试验验证了该模型的正确性.采用单一因素试验法,研究了转速、间隙、不同...     

基于地震碰撞易损性的相邻结构临界间距研究

提出了一种基于近似解析的地震碰撞易损性确定相邻结构临界间距的方法。首先根据基于性能的抗震设计理论,将碰撞事件表示为单势垒首次超限可靠度问题;其次,通过随机振动理论得到不同地震动强度下结构体系的条件失效概率;然后,结合相邻结构的地震碰撞易损性,将临界间距的计算表述为逆可靠性问题,求出在结构设计使用年限内,某一具体目标碰撞概率所对应的临界间距值,通过蒙特卡洛数值模拟方法进行的相关验证,证实了上述理论的适用性与有效性。     

移动随机荷载作用下桥梁振动分析

为了研究移动随机荷载作用下桥梁的振动问题,首先利用虚拟激励法将随机荷载转化为确定性的简谐荷载,推导了桥梁的非平稳随机响应,包括演变功率谱和时变标准差;再将精细积分法扩展到求解移动简谐荷载作用下结构的动力方程,提出了协调分解过程来模拟荷载的连续移动.在数值算例中,研究了单跨及多跨桥梁的基本随机振动特性;讨论了桥梁模态之间的相关性和荷载之间的相关性对桥梁响应的影响.     

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。     

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。     

拱坝地震动随机响应分析

将河谷地震动随机场半解析展开为正交函数随机过程及采用简化的地基模型,应用振型分解法可直接求得拱坝－地基－库水系统的各种随机响应及功率谱密度。本文方法不仅考虑地震动的空间随机性,山体放大作用及行波效应,而且考虑非比例阻尼的拱坝振型之间的相关性;地震动随机场只须分解一次,计算过程简单,是大型拱坝结构随机分析的一种有效方法。     

考虑行波效应的大跨度矮塔斜拉桥耐震时程分析

耐震时程法（ETM）是一种采用幅值随时间不断增大的人工地震动作为输入的新型动力分析方法,其只需通过少量的数值运算便可得到不同地震强度下的结构响应。基于此优势,该文探索了在考虑行波效应下,耐震时程法预测大跨度矮塔斜拉桥地震碰撞响应的精确性和有效性。以一座两侧建有桥台的典型山谷地带矮塔斜拉桥为研究对象,通过与天然地震输入下的增量动力分析（IDA）结果进行对比,验证耐震时程法捕捉地震碰撞响应的可行性;并采用此方法参数化分析了不同地震动视波速对碰撞力、塔梁位移和墩柱曲率响应的影响。研究结果表明：耐震时程法能够高效地预测出考虑行波效应的矮塔斜拉桥地震碰撞响应;此外,行波效应对大跨桥梁地震碰撞响应的影响存在两面性,与结构是否进入非线性以及地震动强度和视波速大小有关。     

结构在水平与竖向随机地震同时作用下的相关函数和谱密度

对单自由度结构在水平与竖向地震同时作用下的随机稳定性、响应及其相关函数和谱密度函数进行系统研究。首先利用Stratonovich和It随机微分方程与响应矩微分方程的互相关转化关系,建立了结构响应矩方程;然后根据Hurwitz随机稳定准则,获得了结构一阶和二阶响应矩渐近稳定的解析判别式;继而,利用复模态法获得了结构响应二阶矩的解析瞬态解和平稳解;最后利用It随机微分方程解具有的非可料函数性质,获得了结构位移、速度响应的自相关函数、互相关函数以及谱密度函数、互谱密度函数的解析解,给出了算例,并综合分析了各种参数对结构响应、稳定性以及相关函数和谱密度函数的影响。     

基于车桥耦合随机振动分析的钢桥疲劳可靠度评估

发展了一种基于车桥耦合系统随机振动分析的铁路钢桥疲劳可靠度评估方法,建立车桥耦合系统模型,选取车速和轨道不平顺作为基本随机变量进行随机振动分析,以此确定桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数的概率模型。在此基础上,建立基于S-N曲线法的疲劳极限状态函数并进行疲劳可靠度分析。以一座铁路下承式钢桁梁桥为例进行了疲劳可靠度评估,并讨论了车速及轨道平顺性对构件疲劳可靠性的影响。结果表明：该文方法可有效用于铁路钢桥疲劳可靠度评估;受车速及轨道不平顺随机性的影响,列车引起的桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数均具有一定的不确定性,应视为随机变量,二者可采用对数正态分布表示;车速和轨道不平顺可显著影响桥梁构件的疲劳可靠性,疲劳关键构件的可靠度指标随着轨道平顺性增强而提高。