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。     

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。     

考虑纵坡影响的曲线梁桥地震碰撞响应试验研究

地震作用下,碰撞会显著影响桥梁的地震响应规律。现阶段碰撞效应对桥梁地震响应影响规律尚不明晰,碰撞效应参数影响分析尚不全面,特别是考虑纵坡影响的桥梁碰撞响应分析尚处空白。以某小半径带坡曲线桥为对象,设计并制作其1/10缩尺模型,设计了可调式碰撞测试装置,通过调整碰撞间隙大小,分别对发生碰撞前后的模型桥进行了振动台试验,重点探究了碰撞对有纵坡曲线梁桥主梁、桥墩地震响应的影响。结果表明:碰撞会导致曲线桥主梁的旋转效应增大,并引发梁端较大的水平加速度响应脉冲;纵坡会造成低墩处的碰撞力大于高墩处的碰撞力,并引起主梁显著的竖向动力响应;此外,碰撞会放大桥墩墩顶位移响应,增加曲线桥桥墩在地震中的破坏风险。     

跨断层桥梁地震响应分析及合理跨越角度研究

为研究跨断层桥梁地震响应规律及合理跨越断层角度,以一座跨走滑断层的连续梁桥为研究对象,采用混合模拟法合成了该桥的地面运动时程曲线,基于多点激励位移输入模型,采用非线性时程法对其地震响应规律进行了分析,并以桥梁轴向与断层交角θ为研究参数分析了其对结构地震响应的影响,得到了θ对结构地震响应的影响规律和变化曲线。计算结果表明:跨断层桥梁桥墩扭矩设计值较大,桥墩横向弯矩随断层距的减小而增加;其位移响应以主梁纵横向大位移、面内扭转变形、支座和桥墩残余位移为主要特征,具有较大的落梁破坏风险;当桥梁垂直跨越断层时(θ=90°),桥墩受力合理性和经济性最优,断层错动产生的顺桥向位移分量最小,落梁风险相对较低。研究成果可为该类桥梁的抗震设计与桥位布置提供参考和依据。     

小半径城市高架曲线梁桥地震动响应研究

针对城市高架小半径曲线梁桥弯扭耦合严重、地震危害明显的特点,对武汉新站小半径曲线梁桥的有效的动力计算模型进行了探讨,比较了单根梁模型、板壳模型和脊梁模型在模拟小半径曲线桥时的准确性和精度。在脊梁模型的基础上,基于时程分析方法,采用三向地震波同时输入的方式,分析了小半径曲线桥的动力特性及其地震响应的主要影响因素。分析结果表明：脊梁模型是对小半径曲线桥进行动力分析的有效实用方法;后续结构、桩-土-桥的相互作用、桥墩刚度及支座偏心等敏感因素对小半径曲线桥的地震响应有较大的影响,计算分析时应给予足够重视     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析EI北大核心CSCD

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

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。     

独柱墩简支梁桥抗震性能的振动台试验研究

近年来出现的独柱墩梁桥横向倾覆事故及震害引起了广泛关注,关于其横向稳定性的研究取得了丰硕成果;然而与横桥向相比,地震作用下纵桥向的安全性仍然是非常重要的研究课题。为此,按现行规范设计制作了一跨缩尺比例圆形截面独柱墩简支梁桥模型,以E1 Centro地震波为纵竖向输入地震动,进行了大比例尺整桥单台面振动台试验;通过观察试验现象,分析了结构加速度、位移响应、滞回特性及钢筋混凝土应变,研究了桥梁在不同等级加速度下的损伤状态及动力响应规律。结果表明:梁体纵向位移较大,易发生由纵向碰撞引起的落梁及损伤;固定等效水平力-位移滞回曲线规则,其墩顶位移较活动墩大,墩底所受的力远大于活动墩,在抗震设计中应尤为关注固定墩的构造设计。     

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。     

地震作用下曲线梁桥非均匀碰撞效应研究

曲线梁桥在地震作用下产生的不规则平面旋转位移使得应用碰撞单元法计算曲线梁体碰撞效应存在一定的局限性,为了探讨曲线梁桥地震碰撞效应的非均匀分布规律,提出了采用显式动力接触算法计算曲线梁桥地震碰撞效应的数值模拟方法,并分析曲线连续梁桥碰撞效应引起的主梁、挡块和桥墩的冲击地震反应特点。结果表明,主梁与桥台胸墙的碰撞作用限制了主梁的切向位移,使得固定墩墩底弯矩小于不考虑碰撞时的墩底弯矩。碰撞后梁端截面顶板正应力和曲线内外侧挡块径向应力的分布严重不均匀,梁端截面悬臂翼缘的正应力明显小于腹板间顶板的正应力,曲线外侧挡块的径向应力显著大于内侧挡块的径向应力。地震碰撞作用使得主梁的最大拉应力和压应力通常会发生在梁体曲线的内外侧。这为合理解释曲线连续梁桥在强震下的碰撞破坏震害现象提供了理论指导。     

近断层地震动作用下多塔悬索桥的地震反应分析

以泰州大桥为原型研究了多塔悬索桥近断层地震动作用下的地震反应特点,在此基础上以近断层地震动反应幅值与普通地震动反应幅值的比值作为放大系数,进一步研究了速度脉冲效应和场地土效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律。分析结果表明:1) 近断层地震动作用下多塔悬索桥位移和内力的分布规律与普通地震动基本相同;2) 纵向+竖向地震输入下坚硬场地上近断层地震动对主梁竖向位移的影响最大,对主梁竖向弯矩的影响次之,对桥塔纵向位移和纵向剪力的影响相对较小。当场地土由硬变软时,边塔的地震反应增幅明显,中塔次之,主梁相对较小;3) 横向+竖向地震输入下坚硬场地条件上近断层地震动对中塔横向位移的影响最大,对主梁竖向位移的影响次之,对桥塔横向剪力和主梁横向弯矩的影响相对较小。当场地土由硬变软时,主梁的横向弯矩增幅明显,桥塔次之,主梁竖向位移相对较小;4) 在近断层地震动速度脉冲特性以及场地土固有周期特性的共同作用下多塔悬索桥边塔、中塔以及主梁的地震反应存在明显差异,在抗震设计时需要引起重视。     

浅源强震下RC梁式桥横向碰撞参数研究

针对地震作用下桥梁结构梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性动力分析方法对影响碰撞效应的主要因素进行了系统研究。基于刚体碰撞理论,建立能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞接触单元分析模型,研究了典型的浅源强震作用下挡块碰撞刚度、梁体与挡块间初始间隙、桥梁墩高以及跨径等因素对铁路RC简支梁桥地震碰撞效应的影响。研究表明抗震挡块对于防止横向落梁有显著的抑制作用,建议了铁路RC梁式桥抗震挡块的合理刚度及初始间隙取值,提炼了墩高及跨径对各项响应指标的影响规律。研究成果可供梁式桥抗震设计及规范修编参考     

纵向地震作用下大跨三塔悬索桥伸缩缝处双边碰撞效应研究

相邻桥跨间的碰撞效应是引起大跨桥梁引桥落梁的重要原因,本文以一座大跨三塔悬索桥为研究对象,建立了复杂的桥梁结构空间动力分析模型,采用非线性动力时程分析法,详细分析了大跨三塔悬索桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的双边碰撞对桥梁结构地震反应的影响规律,揭示大跨桥梁主、引桥结构振动周期比与碰撞效应的内在联系。研究结果表明：当一侧引桥基本周期小于或者接近主桥梁端位移控制振型周期,而另一侧引桥基本周期显著大于主桥周期时,双边碰撞使长周期侧的引桥固定墩墩底地震内力响应、梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应显著增大,而使短周期侧引桥梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应轻微减小。     

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。     

不同约束体系曲线梁桥震害调查及损伤模式分析

为明确地震作用下曲线梁桥震害成因、结构传力机制及薄弱部位,对采用不同约束体系的曲线梁桥进行震害调查及损伤模式分析。归纳总结了汶川地震中采用不同约束体系的曲线梁桥震害;采用非线性时程方法,对比分析了不同水平地震动作用下不同约束体系曲线梁桥构件损伤状态及损伤顺序,探讨了不同约束体曲线梁桥传力机制及耗能机制。研究结果表明:曲线梁桥典型震害主要表现为主梁刚体移位,并伴有转动,主梁移位易导致其与桥台、挡块等发生碰撞,抗震分析中应考虑主梁双向碰撞效应的影响;约束体系为桥梁系统关键薄弱部位,在地震作用下易发生损伤,可将其设计为"保险丝式"单元;不同约束体系曲线梁桥的震害表现及传力机制差异明显,主要取决于约束体系的力学特性,对于采用橡胶支座的桥梁应设置合理限位装置,设置固定墩的桥梁应加强桥墩塑性铰区设计。     

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。     

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。