板式橡胶支座滑动的地震响应分析

支座是桥梁中的支承部分,是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件,板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递完全靠接触面间的摩擦力作用,在地震作用下可能会发生滑动。通过建立单墩计算模型,对板式橡胶支座滑动的动力性能进行分析。为了克服由于板式橡胶支座滑动引起的梁体移位震害的不足,以一连续梁桥为研究背景,利用Midas软件进行了非线性时程反应分析,探讨目前板式橡胶支座桥梁所存在的问题,提出将梁桥中对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。结果表明：该方法能够有效地控制支座以及其上梁体的地震位移,减少落梁震害的发生。     

隔震曲线连续梁桥铅芯橡胶支座参数优化

为了提升铅芯橡胶支座（LRB）在隔震曲线梁桥中的减隔震效果,该文对LRB力学性能参数进行了优化分析。首先,采用ANSYS建立了某三跨隔震曲线梁桥有限元模型,考虑LRB屈服力、初始刚度及屈服后刚度等性能参数的影响,对该桥进行非线性时程分析,得到了结构关键地震响应随支座力学性能参数的变化规律,并确定了支座参数的合理取值范围。在该支座参数区间内,又以墩底剪力之和为目标函数,基于零阶优化算法,对LRB力学性能参数进行了优化。结果表明:屈服力、初始刚度及屈服后刚度对隔震连续梁桥地震响应有显著影响;隔震支座参数优化后,使得隔震支座峰值位移得到了有效控制,同时不显著增大墩底剪力,且边墩与中墩墩底剪力差值明显缩小,各墩受力更趋均衡。     

三维地震动作用下曲线连续梁桥减震控制研究

为了减少双支承曲线梁桥的地震破坏效应,提出了利用液体粘滞阻尼器进行曲线梁桥减震控制的方法,建立曲线连续梁桥的空间有限元模型和动力仿真模型,在桥梁墩台活动支座部位设置切向和径向液体粘滞减震装置,输入三维地震动计算分析了桥梁主动控制、半主动控制和被动控制三种减震方法的减震效果。结果表明,曲线梁桥的地震反应表现出显著的纵桥向与横桥向的耦合特性,在减震控制计算时必须同时输入三维地震动并设置纵横向减震装置。粘滞阻尼器能够控制曲线梁桥内外墩的内力趋于接近,三种减震控制方法均能有效地减小曲线梁桥的梁端位移和固定墩墩底内力,且三种方法的减震效果和地震反应时程的差别均相对较小,主动控制和半主动控制没有表现出明显的优越性,建议在实际曲线梁桥的抗震减震设计中应用粘滞阻尼器被动控制。     

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。     

考虑非线性剪切效应的RC桥墩抗震分析模型

剪跨比较小或配箍不足的钢筋混凝土桥墩易发生剪切破坏,而现有的纤维单元模型忽略了剪切变形,不能合理评估弯剪或剪切破坏桥墩的抗震能力。为有效模拟剪切作用影响下钢筋混凝土桥墩的抗震性能,以36个剪切及弯剪破坏圆形截面钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,建立了墩柱剪切破坏时墩底转角的计算公式。利用OpenSees分析平台,建立了基于非线性纤维梁柱单元和零长度剪切弹簧单元的数值分析模型,以此来考虑弯曲和剪切效应的耦合作用。以数值模型中墩底转角来监测试件剪切破坏的发生,剪切破坏发生前模型以纤维梁柱单元模拟的弯曲变形为主;此后,桥墩地震反应以剪切弹簧单元控制,以模拟试件由于剪切破坏导致的强度和刚度退化等行为。通过对12个剪切及弯剪破坏圆形截面桥墩抗震拟静力试验的模拟结果表明,模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好,并且能很好地模拟钢筋混凝土结构由于剪切作用引起的刚度与强度的退化现象,验证了模型的合理性。     

桥梁地震需求中随机参数的重要性分析方法研究

桥梁结构的地震需求不仅受地震动随机性的影响,而且受结构中随机参数的影响。为了分析各随机参数对结构地震需求的影响水平,提出采用重要性分析方法对各随机参数进行重要性排序。以常见的简支梁桥及连续梁桥为例,基于结构的非线性动力时程分析,分别采用Monte-Carlo数值模拟方法及核密度估计方法计算得到各随机参数基于方差的重要性测度指标及矩独立重要性测度指标。结果表明,对于中小跨径梁桥,针对桥墩、桥台及支座等不同构件的地震需求,随机参数的重要性排序并不完全相同,但是支座剪切模量、上部结构质量及阻尼比等参数对各构件地震需求的影响水平均排在前列;和Tornado图形法等局部敏感性分析方法相比,重要性分析方法在研究某个参数的重要性时能够考虑其他随机参数的影响,其应用更加合理。     

FRP加固RC连续梁桥抗震性能试验研究

以某钢筋混凝土连续梁桥作为研究对象,对其桥墩进行了塑性铰区的FRP抗震加固,采用混合试验技术研究了该桥梁结构的抗震性能。将连续梁桥结构承担主要地震作用的固定墩作为试验单元,进行真实的物理试验;将桥梁结构其余部分作为计算单元通过有限元软件OpenSees进行模拟,通过OpenFresco混合试验平台集成协调,完成了该连续梁桥的抗震混合试验。最后将试验结果与OpenSees有限元分析结果进行了对比。研究结果表明,FRP抗震加固能够有效改善桥梁的抗震性能;试验结果与有限元分析结果吻合较好。     

中小跨径梁桥地震易损性研究

为对桥梁系统地震易损性进行准确评估,结合Copula函数技术,提出基于串-并联组合体系的桥梁系统易损性分析方法。桥墩是桥梁抗震中的控制构件且较难修复,采用串联体系将多个桥墩进行组合,对于修复难度较低的桥台及支座构件,采用并联体系进行模拟。在此基础上,将桥墩、桥台及支座三类构件体系进行串联,构成桥梁系统的串-并联组合体系。以三跨连续箱梁桥为例,阐明了基于串-并联体系的桥梁系统易损性分析方法,并将分析结果与基于串联体系的桥梁系统易损性进行对比。结果表明:对于中小跨径的连续梁桥,基于单一串联体系会明显高估桥梁系统的易损性,相对于串-并联体系,在轻微、中等、严重及完全四种破坏状态下,其中位值偏差在纵桥向分别为22.2%、20.7%、20.5%及24.6%;在横桥向分别为30.0%、16.1%、9.8%及11.3%,基于串-并联组合体系建立桥梁系统地震易损性更切实合理。     

LRB隔震桥梁减震效果分析

分别利用非线性水平和转动弹簧单元来模拟减隔震支座和桥墩延性塑性铰的非线性性能,首次把支座和桥梁结构纳入至一个系统中,并考虑其相互影响和相互作用。利用大型通用结构分析软件(ANSYS),对采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条实际地震波进行时程分析,系统地讨论了隔震桥梁的减震性能,得出了一些有意义的结论。     

高烈度区连续梁桥减震的粘滞阻尼器参数分析

连续梁桥应用广泛,其损害占据桥梁工程地震灾害中的重要部分,有必要对连续梁桥进行专门的抗震设计,而安装粘滞阻尼器是改善桥梁结构抗震性能的有效手段之一。本文以位于地震高烈度区的太白大桥为例,通过有限元计算研究了设置粘滞阻尼器对预应力混凝土连续梁桥地震响应的影响,并重点针对阻尼器的阻尼系数和速度指数进行了参数分析。结果表明：设置阻尼器后,固定墩墩底弯矩、边墩主梁相对位移都显著减小;各墩受力更趋均匀;阻尼器阻尼力随阻尼系数C增大而增大,随速度指数α增大而减小。所得结论可供高烈度区连续梁桥的减震设计参考。     

板式橡胶支座梁桥的典型横向震害及其影响因素分析

针对板式橡胶支座梁桥在汶川地震中大面积失效的现象,基于震害调查资料对这类桥梁的典型横向震害特征进行了总结,然后基于试验成果和理论分析模型,采用增量动力分析研究了典型桥例的地震损伤过程,并与震害特征进行对比验证,采用参数分析揭示了桥梁横向震害特征的关键影响因素及其规律。研究表明:板式橡胶支座梁桥的典型横向震害是位移失控,其结构性损伤很轻;支座的柔性和滑移对墩柱抗震有利,但当地震动较大时,挡块脆断会造成梁体严重移位、支座脱空;挡块的强度、变形能力、间隙和支座的摩擦因数都是横向震害的影响因素;强度和变形能力越大,挡块限位效果越好,但强度增大会造成墩柱延性系数成倍增长,而变形增大对墩柱的影响明显更小;间隙是保证支座隔震和挡块限位的重要方面,不宜过大也不宜过小,该研究中桥例取5 cm时可达最优效果;摩擦因数对支座隔震效果的影响很大,摩擦因数越大,墩柱的延性系数也越高;改善挡块变形可达到与提高强度相同的限位效果,且对支座隔震的阻碍更小。因此,对传统挡块进行改进宜从提高其变形的角度出发,工程应用中可综合优化挡块的强度和变形来实现预期抗震目标。     

轨道结构建模精细化程度对高速铁路连续梁桥地震易损性的影响

为探究CRTS Ⅱ板式无砟轨道结构建模精细化程度对高速铁路连续梁桥地震易损性曲线的影响,以一座48 m+80 m+48 m高速铁路预应力混凝土连续梁桥为例,采用有限元分析软件OpenSEES分别建立四个轨道结构建模精细化程度不同的线桥一体化模型,进行了非线性时程分析和易损性分析,构造了桥梁各关键构件和轨道结构各部件的易损性曲线。计算结果表明,在建立轨道-桥梁一体化模型研究高铁连续梁桥抗震性能时,轨道结构建模精细化程度对滑动层的地震易损性曲线影响很大。随着轨道结构建模的精细化程度降低,滑动层发生地震破坏的概率变大。同时,轨道结构建模越简单,滑动支座发生破坏的概率略微增加,桥墩发生破坏的概率略微减小。此外,轨道结构建模的精细化程度对CA层、扣件、桩基等构件的地震易损性曲线基本上没有影响。     

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。     

非规则梁桥横桥向地震碰撞反应分析

针对连续梁桥在横桥向地震作用下梁体与抗震挡之间的碰撞现象,建立了考虑支座非线性和墩柱弹塑性的碰撞模型。在此基础上,应用非线性时程方法分析了横桥向地震作用下非规则梁桥梁体与抗震挡之间的碰撞对结构横桥向地震反应的影响,探讨了减轻碰撞和限制相对位移的措施和方法。研究结果表明:梁体与抗震挡块间的碰撞不仅产生很大的撞击力,还会导致桥墩的地震需求增大,对结构抗震不利。通过在抗震挡内侧安装橡胶缓冲垫,可以极大地减小梁体与抗震挡之间的碰撞力,同时减小矮墩区桥墩的墩顶横向位移和墩底塑性转角,不显著增加高墩区桥墩的墩顶位移和墩底塑性转角。     

基于行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系研究

针对目前最常用的32 m跨径高铁简支梁桥,同时考虑对行车安全不利的路桥过渡段和墩高改变处,对高铁桥梁的行车安全性能进行了评价;分析了铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等常规减隔震方案在高铁桥梁中运用的可行性。分析结果表明,采用盆式橡胶支座的高铁桥梁在地震作用下轨道变形和轨道横向加速度较大,无法满足高速运行的列车的行车安全性要求;采取常规减隔震措施之后,尽管地震响应有所降低,但在路桥过渡段依然无法满足列车的行车安全性要求。鉴于此,研发了抗冲击多向耗能阻尼器,与盆式支座相结合,提出了可以满足列车行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系。该体系可在地震作用时盆式支座剪断瞬间承受较大的冲击力,保证体系转换过程中桥梁结构的刚度不发生突变,控制轨道变形不超过允许的限值,保证列车的行车安全性。     

Seismic vulnerability assessment of a continuous steel box girder bridge considering influence of LRB properties

Bridges are one of the most crucial facilities of transportation networks. Therefore, evaluation of the seismic vulnerability of bridge structures is perpetually regarded topic for researchers. In this study, we developed seismic fragility curves for a continuous steel box girder bridge considering the effect of different levels of mechanical properties of lead rubber bearing (LRB) devices including initial stiffness and yield strength on the seismic performance of such structure. A powerful framework for an earthquake engineering simulation, OpenSees, is used to perform nonlinear analyses of the bridge model. In order to construct fragility curves for this structure, a set of 20 ground acceleration records is adopted and various scales of the peak ground acceleration (PGA) from 0.1 to 1.6 g are considered. Besides, a series of damage state of the bridgeis defined based on a damage index, which is expressed in terms of the column displacement ductility ratio. Fragility analyses result reveals that reducing the initial stiffness of LRBs reduces the seismic vulnerability of bridge piers and vice versa. Meanwhile, the changes of the yield strength of LRBs have trivially effected on the seismic behaviour of the bridge piers. On the other hand, the short pier has performed more susceptibly than those of the high pier in both seismically-isolated and non-isolated bridge cases. Lastly, the results in this research also indicate that the bridge structures equipped with seismic isolation devices (e.g. LRBs) significantly mitigated the damages due to earthquakes.     

地震激励特性对隔振桥梁动力响应的影响研究

本文考虑承铅芯橡胶支摩和桥梁结构的非线性特性,把支座和桥梁当作一个整体考虑,建立了连续梁桥隔震全桥模型。通过输入不同特笥地震激励进行时程分析,对地震激励特性对铅芯橡胶支座隔震桥梁体系的地震响应的影响规律和特点进行了系统的研究。     

多点激励下隔震桥梁非线性随机振动的时域显式迭代模拟法

由于地震动的随机性与空间变异性、隔震支座的非线性特征及其安装数目少的特点,隔震桥梁地震响应分析是一典型的多输入局部非线性随机振动问题。采用Bouc-Wen模型描述隔震支座的非线性恢复力,建立多点地震激励下隔震桥梁结构的运动方程,并将得到的非线性运动方程改写为关于状态变量的拟线性方程,基于精细时程积分法和龙格-库塔法构造拟线性方程及隔震支座滞回位移方程的时域显式降维迭代求解格式。再以此高效算法为基础,应用随机模拟法计算多点激励下隔震桥梁随机地震响应的统计量。数值算例表明,所建立的方法计算速度快、精度高,可用于实际桥梁结构的抗震性能验算。     

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。     

Seismic response analysis of a double-deck long-span cable-stayed bridge under multi-support excitations

In this article, the effect of earthquake ground motions, especially spatially varying motion, on the seismic response of a long-span double-deck cable-stayed bridge is investigated. Static and dynamic response analyses, with the focus on internal forces on web members, are carried out on the Shanghai Minpu Bridge which is the longest long-span double-deck cable-stayed highway bridge. Firstly, a program for the generation of multi-ground motions has been developed, based on the multivariate stochastic processes of the weighted amplitude wave superposition method in FORTRAN. Secondly, a refined finite element model composed of beam and shell elements and a simplified model using equivalent beam elements to model girders of the bridge are established in ABAQUS. Geometrical nonlinear static analysis is performed to get initial equilibrium configuration of the bridge for both the above models. Modal analysis is carried out on the initial equilibrium configuration and the natures of mode shapes for the refined model are discussed in detail. The dynamic response analyses under two groups of uniform seismic excitation indicate that the two models result in approximately identical results. Thirdly, the effect of nonlinear viscous dampers, located between the tower and the girder, on movement due to seismic excitation is investigated on the simplified model under uniform excitation. Results show that the dampers magnify the shear force and moment on lower tower columns in the longitudinal direction, but have relatively small effect on the upper tower columns. The shear force and moment of the tower base increase with the damping coefficient in a certain range. Finally, the characteristics of internal force for towers, subsidiary piers, and web members (vertical and oblique web members and side oblique chords) under multipoint excitation are examined. It is concluded that the abrupt changes on the shear envelope curves at the intersection of the tower column and the lower transverse beam are aroused due to the eight nonlinear fluid viscous dampers. The lateral moment of the subsidiary piers increases with the distance from the tower to subsidiary piers. The maximum axial forces of web members of side-span vary acutely, especially those of the vertical and oblique members close to the piers. For side oblique chords, the maximum axial force is uniformly distributed with the exception of members at the piers and the mid-span sections. Therefore, attention should be paid to the fluctuation forces of cables in seismic analysis of long-span cable-stayed bridges, since the uplift of girder ends may cause severe damage to bridges.