多点激励下桩-土-斜拉桥全模型振动台试验研究

大跨斜拉桥的自振频率和阻尼低以及空间尺度大,其地震响应受桩基础、场地土特性和地震动空间效应的影响较大。然而,由于试验条件和技术所限,目前尚缺乏相关的全模型振动台试验研究。以一座试设计主跨1400m超大跨斜拉桥为原型,设计和制作了一座几何相似比为1/70且包括上部结构、桩基础和场地土等在内的试验模型,通过振动台试验研究了多点激励对桩-土-斜拉桥全模型地震响应的影响及其规律。试验结果表明：纵向多点激励使一侧主塔的纵向位移、一侧主塔和桥墩的纵向桩-土-结构相互作用效果以及主跨一侧竖向位移增大,而另一侧减小;横向多点激励使一侧主塔的横向位移和一侧桥墩的横向桩-土-结构相互作用效果增大,另一侧减小,但使两侧主塔的横向桩-土-结构相互作用效果和主跨两侧横向位移响应均增大;桩-土-结构相互作用对斜拉桥的加速度响应产生不利影响。基于上述结果,大跨斜拉桥的抗震设计或性能评估应考虑多点激励和桩-土-结构相互作用的影响。     

结构-群桩基础地震响应离心振动台模型试验

为研究桥梁群桩基础的大质量承台和外露桩基对桩-土动力相互作用效应的影响,分别对低承台（与土接触）和高承台群桩基础进行了离心振动台模型试验。试验中地基土采用了黏质粉土,上部结构简化为质点和杆构件,基础形式包括单桩和群桩。为模拟地震剪切波作用下土层运动效应,采用叠环式层状剪切箱实现土体的层状自由剪切,箱内壁设置橡胶膜以消除边界反射效应。在加速度为5.0g的离心环境中,选取Chi-Chi地震波作为基底激励输入,在不同输入峰值加速度下,分析了结构-群桩基础的地震响应。试验结果表明：与低承台群桩基础相比,高承台形成的群桩外露会增加上部结构和承台的惯性效应,改变桩身峰值弯矩的分布,表现为承台与桩接触处的桩身峰值弯矩下降,但桩身最大峰值弯矩改变较小。     

基于振动台模型试验的管桩-土-上部结构体系的地震响应试验研究

通过管桩振动台模型试脸,研究了地震作用下单桩基础结构体系的上部结构加速度放大系数、桩顶最大剪力和最大倾覆弯矩响应幅值的分布规律及其影响因素。研究表明,管桩结构体系的各种地震响应不仅与输入的加速度幅值有关,不同的上部结构和场地的动力特性也影响管桩基础地震响应幅值的变化趋势;坚硬场地上结构的地震反应与结构有关,软弱场地上结构的地震响应与场地有关;实际桩-土-上部结构体系不是一个简单结构,必须整体考虑上部和下部结构的动力特性。     

桩-土-结构动力相互作用体系振动台模型试验研究

基于桩-土-结构动力相互作用体系振动台模型试验的数据,研究了动力相互作用体系对上部结构的影响.研究结果表明:由于动力相互作用体系的影响,上部结构频率减小,阻尼增大;在输入地震波加速度峰值较小时,桩-土体系对地震波起放大作用,输入地震波加速度峰值较大时,桩-土体系起减震作用;在地震波由振动台台面传到土体表面的过程中,桩-土体系改变了地震波的频谱成份.     

支盘桩–土–高层建筑结构振动台试验的研究

 设计和实施支盘桩–土–高层建筑结构动力相互作用体系的振动台试验,再现框架结构和桩基的震害现象。通过振动台试验,研究相互作用体系的地震响应、支盘桩对结构体系的阻抗作用和单、双跨框架结构抗震性能的差异,对该体系的试验现象、基频、阻尼比、振型、位移反应和上部结构顶层加速度反应进行了计算和分析。结果表明：相互作用对结构的动力特性和地震反应均有较大的影响,支盘桩具有较好的抗压、抗拔和抗扭曲作用;相同工况时上海人工波激励下的结构最大位移反应比El Centro波大,说明结构的破坏除与震级有关外,还与地震波的波形有关;双跨框架结构的抗震性能明显好于单跨,并与汶川地震中很多单跨教学楼倒塌的现象一致。研究结果对抗震设计和防灾减灾具有重要的研究意义。     

地震作用下含倾斜软弱夹层边坡内群桩的弯曲变形研究

 针对含软弱夹层边坡场地中的群桩基础,设计并完成50 g超重力离心振动台模型试验,探讨群桩结构的弯矩分布特性和弯曲变形模式,以及场地内部变形和上部结构惯性力对群桩基础的影响。试验结果表明：地震作用下,上部结构的惯性力控制了群桩的弯曲变形,影响范围从桩顶向下为桩长的26%～28%;群桩的弯曲变形形态从整体协调变形角度可分为一致型和非一致型、有拐点型和无拐点型、平行型和非平行型;场地中倾斜软弱夹层对场地内加速度放大系数的影响与输入加速度峰值有关,随着输入加速度峰值的增大,该软弱夹层内部的放大系数呈非线性增长;此外,该上部结构与场地表面的动力响应存在明显差异,且其会随地震强度增加呈非线性扩大趋势,当输入加速度峰值≥0.25 g时会出现成倍突增现象。     

采用振动台阵的超大跨斜拉桥大比例全模型试验研究

强震作用下超大跨斜拉桥的结构响应与其结构体系密切相关,且受基础和场地土特性影响较大,然而目前为止,因试验条件和技术所限,尚缺乏相关的全桥模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400m超大跨斜拉桥为原型,设计一座几何相似比为1/70、包括桩基础和场地土的全桥模型;采用振动台阵试验技术,研究El Centro波、人工波、Mexico City波等三种典型地震一致激励下不同结构体系的地震响应特性及影响机理,所研究的结构体系包括：纵向半漂浮体系、纵向弹性约束体系、以及本文作者提出的纵向辅助墩耗能体系和横向耗能体系;探讨不同纵向结构体系的抗震性能以及附加在上塔柱间的耗能构件对斜拉桥横向地震响应的控制效果。试验结果表明：土-结构相互作用对上部结构地震响应的影响不可忽视;主塔地震响应受高阶振型的影响明显;在PGA为0.4g以下的El Centro波和人工波、以及PGA为0.2g的Mexico City波作用下,结构响应仍处于弹性状态;纵向弹性约束体系和纵向辅助墩体耗能系可有效减小主塔位移和塔-梁间纵向相对位移响应,其中作者提出的纵向辅助墩耗能体系的抗震性能更好;附加耗能构件可有效降低主塔的弯矩应变响应,实现分散主塔受力和附加耗能作用,但对主塔加速度和位移响应的控制有限。     

基于流–固耦合的近海风电基础地震反应分析

结合近海风电单桩及四桩基础支撑体系工程实际场地资料,采用有限元数值分析方法,考虑水–土–结构动力相互作用,即考虑流–固耦合效应、饱和土的多孔介质渗流属性及桩–土接触相互作用,分析结构体系动力特性及地震反应。分析单桩有水与无水及四桩有水与无水4种工况支撑体系的自振特性和单桩有水与无水2种工况支撑体系的地震反应。结果表明:水层对结构低阶频率影响不大,对高阶频率降低幅度较大;水层对体系的水平位移、竖向沉降、峰值加速度及有效应力均有不同程度地削减;地震作用下土体的超静孔隙水压力呈现波动特性;结构的位移及应力响应均能满足规范要求。证明考虑多介质耦合的动力有限元分析方法是解决复杂海上风电基础地震响应的有效方法。     

液化地基上隔震结构群桩与土动力相互作用振动台模型试验研究

开展了液化场地–桩–隔震层–上部结构动力相互作用体系的大型振动台模型试验,再现饱和砂土地基液化诱发的地基震陷震害,详细阐述了隔震结构群桩基础与地基的地震响应特征和饱和土体孔压发展规律。试验结果表明：隔震结构群桩基础的角桩桩身应变幅值明显高于中间桩,中间桩顶部应变幅值又明显高于角桩;隔震结构地基液化后上部结构摇摆和基础转动反应急剧增加,进而导致群桩基础桩顶弯矩急剧增加,使得桩身最大弯矩幅值由地基液化前的桩身中上部转移到地基液化后的桩顶位移,同时隔震结构下部桩顶弯矩幅值比桩身弯矩幅值也要大得多,充分说明在土–桩–隔震层–上部结构的动力相互作用下桩顶更易造成严重的地震破坏。     

可液化场地桥梁群桩基础地震响应振动台试验研究

针对上覆黏土层、下部饱和砂层结构的可液化场地条件,采用2×2低承台群桩—独柱墩结构,完成了可液化场地群桩–土–桥梁结构地震相互作用振动台试验。试验表明:在小幅震动阶段孔压仅有少量积累,孔压积累主要发生在强烈振动段;孔压随震动幅值增大、持时延长而变得更高;最强烈液化作用滞后于峰值加速度时刻。砂层加速度反应受场地液化影响较大;随着砂层液化的发展,土层位移峰值时刻与输入地震波峰值时刻、土层加速度峰值时刻之间表现出明显的时滞特征,而土层位移对桩的弯矩反应起着越来越明显的作用,且液化砂层位移对桩土相互作用力影响效应已凸显;完全液化砂层的承载力并未全部丧失;无论砂层液化与否,桩与砂层加速度反应规律保持一致;地震中土层分界附近桩的加速度、弯矩出现突变。振动台试验无疑为可液化场地桥梁群桩抗震性能研究提供必要铺垫。     

某双塔斜拉桥抗震性能研究

以某大跨双塔斜拉桥为例,建立了主桥和引桥一体的动力模型,通过反应谱和非线性时程方法,分析了其地震响应,研究表明该桥满足抗震性能目标,纵向设置粘滞阻尼器后能显著的减少纵向地震反应内力。     

淮安大桥主桥的地震响应时程分析

淮安大桥是宿淮高速公路上的一座大跨度预应力混凝土斜拉桥,其宽度在目前国内同类型桥梁中位居第一.利用ANSYS软件建立了淮安大桥的三维有限元模型,并对其动力特性进行了分析.在此基础上,应用空间非线性时程分析方法,对淮安大桥在不同地震动输入方式下的地震响应进行了计算分析.研究结果表明,淮安大桥主桥关键截面的地震响应在设计允许的范围内,对大跨度预应力混凝土斜拉桥的地震响应分析并采取相应的控制措施具有一定的借鉴意义.     

Large‐scale shaking table test on pile‐soil‐structure interaction on soft soils

The two large‐scale shaking table tests of tall buildings on soft soils in pile group foundations are performed to capture the effect of the seismic pile‐soil‐structure interaction (PSSI) on the dynamic responses of the pile, soil, and structure. The two different model conditions are observed, including a fixed‐base structure and a structure supported by 3‐by‐3 pile group foundation in soft soil, representing the situations excluding the soil‐structure interaction (SSI) and considering the SSI, respectively. In the tests, the superstructure is a tall building with 12‐story reinforced concrete frame. The pile‐soil‐structure system rests in a shear laminar soil container, which is designed to minimize the boundary effects during shaking table tests. The two models are subjected to various intensity seismic excitations of Shanghai bedrock waves, 1995 Kobe earthquake, and 1999 Chi‐Chi earthquake events. According to the experimental and analytical results, SSI systems have longer natural periods than the fixed‐base structure. In addition, soft soil has amplification effect under smaller seismic excitations and isolation effects under larger earthquake intensities. The strain amplitude at the top of pile is large, and the strain at the middle and tip is relatively small. Whereas the contact pressure is small at the top of pile and large at the middle and tip. From the dynamic responses of the superstructure, it is found that the PSSI amplifies the peak displacements and interstory drifts of the structures supported by pile group foundations by comparing with the fixed‐base structure. Whereas the peak acceleration and interstory shear force of the structure are reduced considering seismic PSSI. The results show that the seismic SSI is not always favorable, however, it may increase certain dynamic responses of the structure. Consequently, the seismic SSI should be considered reasonably, providing insight towards the rational seismic design of buildings rested on soft soils.     

Effectiveness of Soil–Structure Interaction and Dynamic Characteristics on Cable-Stayed Bridges Subjected to Multiple Support Excitation

The purpose of the study is to determine the effects of multiple support excitations (MSE) and soil–structure interaction (SSI) on the dynamic characteristics of cable-stayed bridges founded on pile foundation groups. In the design of these structures, it is important to consider the effects of spatial variability of earthquake ground motions. To do this, the time histories of the ground motions are generated based on the spatially varying ground motion components of incoherence, wave-passage, and site-response. The effects of SSI on the response of a bridge subjected to the MSE are numerically illustrated using a three-dimensional model of Quincy Bayview cable-stayed bridge in the USA. The soil around the pile is linearly elastic, homogeneous isotropic half space represented by dynamic impedance functions based on the Winkler model of soil reaction. Structural responses obtained from the dynamic analysis of the bridge system show the importance of the SSI and the MSE effects on the dynamic responses of cable-stayed bridges.     

Influence of Stabilizing Cables on Seismic Response of a Multispan Cable-Stayed Bridge

Abstract:   A recent trend in the design of long-span bridges is multispan cable-stayed bridges with three or more towers. A critical problem of multispan cable-stayed bridges is the stabilization of the central tower(s), which has resulted in increasing application of stabilizing cables. The Ting Kau Bridge in Hong Kong is one of a few multispan cable-stayed bridges adopting stabilizing cables ever built. In this article, the dynamic properties of multispan cable-stayed bridges with stabilizing cables and the effect of stabilizing cables on bridge seismic response are studied by referring to the Ting Kau Bridge. Based on a validated 3D finite-element model, modal analysis is conducted which shows that the longitudinal stabilizing cables bring about a number of global modes with strong modal interaction among the deck, towers, and cables. The seismic response and internal force in the central tower are found to be much larger than those in the side towers. The longitudinal stabilizing cables are very effective in reducing the internal force in the central tower generated by longitudinal earthquake excitation, but insignificantly affect the seismic response in the bridge deck and side towers. As a whole, the stabilizing cables act favorably in the reduction of seismic response of the bridge.     

新型斜拉桥与摩天轮组合结构在地震多点激励作用下的响应分析

地震地面运动的空间变化效应(特别是行波效应)对大跨度结构的响应有很大影响。本文以天津慈海桥为工程背景建立了新型斜拉桥和摩天轮组合结构的动力分析模型,利用通用分析软件ANSYS对慈海桥行波效应进行了分析与讨论,研究比较了是否考虑行波效应以及不同相位差条件下行波效应的结构位移和内力响应,得到了慈海桥独特的地震反应特性。研究结果表明:与一致地震激励相比,地震动的空间变化特性可以使慈海桥的地震响应发生较大改变。     

行波激励下MR阻尼器对桥梁地震反应控制效果的研究

本文应用磁流变(MR)阻尼器对桥梁结构在行波激励下的地震反应进行控制。采用子空间模态分析法建立了适合多点不同步地震激励下桥梁振动控制分析的瞬时最优控制算法。以连续刚构桥和大跨度斜拉桥两个具体工程为例,数值仿真分析了行波激励下桥梁地震反应在多种MR控制策略下的控制效果,为MR阻尼器的工程应用提供了理论依据。