无支座自复位桥梁研究与应用

本项目研发了一种无支座自复位桥梁结构体系,提出了无支座自复位桥墩抗震结构及构造,开展了理论分析和模型试验,建立了无支座自复位桥梁设计标准及其基于位移的抗震设计理论和方法,完善和发展了桥梁抗震设计理论,并在京台高速黄徐路分离式立交桥中完成了我国首座无支座自复位桥梁实桥应用。无支座自复位桥梁的研究与应用,从性能上保证了桥梁结构抗震安全,具有重要的社会价值和广泛的社会效益。     

自复位结构抗震性能研究综述

自复位结构体系是为了使结构在地震后不发生破坏或破坏发生在可更换构件上,以保证地震后结构较快恢复使用功能而提出的。阐述了自复位结构抗震性能研究的重要性和自复位结构体系的组成及其分类,分别介绍了放松柱脚与基础间约束的自复位摇摆结构、放松梁柱间约束的横向自复位框架结构、自复位耗能支撑及自复位支撑框架的抗震性能最新研究进展。表明将摇摆技术应用于结构并在摇摆(开合)界面设置耗能减震元件能有效提高结构的抗震性能,将损伤控制在可更换的耗能元件上,减小主体结构震后残余变形。由于地震作用的不确定性,自复位结构在不同水准地震下的破坏模式、极限状态还需进一步研究,对于工程实际的应用,提出一种有效的自复位结构抗震设计方法也十分迫切。     

摇摆隔震桥墩研究综述

桥梁结构一旦在地震中遭受破坏势必带来巨大的经济损失,且严重影响灾后救援工作.摇摆隔震桥墩作为一种新兴抗震体系具有良好的抗震性能与震后自复位能力,是目前桥梁抗震领域的研究热点之一.首先简要介绍了摇摆桥墩的结构组成与减震机理,综述了国内外摇摆隔震桥墩的相关实验研究,总结了目前研究可改进之处以及未来发展趋势.     

日本桥规中的抗震性能

桥梁抗震设计首先需要设定抗震设防标准。抗震性能就是抗震设计中由设防标准决定的在地震时和地震后需要达到的结构性能和目标。文章系统介绍日本桥规中有关桥梁抗震性能的定义、抗震性能标准以及在不同抗震性能标准时对桥梁桥墩、桩基、上部结构等构件的极限状态设定。介绍检验抗震性能指标的工程评估指标和抗震设计方法。     

自复位支撑-摇摆框架结构体系及其基于位移抗震设计方法

本文提出一种可恢复功能结构体系——自复位支撑-摇摆框架结构体系，旨在同时实现较大刚度、自复位能力以及构件间的变形协调。针对可恢复功能结构体系防震能力强的特点，已建立了可恢复功能结构体系“小震及中震不坏，大震可更换、可修复，巨震不倒塌”的抗震设防四水准目标。文中结合可恢复功能结构体系四水准性能指标，采用基于位移的抗震设计方法，进行了自复位支撑-摇摆框架结构设计。以一幢四层结构为例，给出了四水准抗震设防目标下的基于位移设计方法算例，并建立了ABAQUS有限元数值模型，进行了弹塑性时程分析。分析结果表明，按文中方法设计的自复位支撑-摇摆框架体系可满足可恢复功能结构体系抗震设防目标，达到各性能指标要求。     

设置横系梁的双柱式桥墩地震易损性分析

为定量分析横系梁对双柱式桥墩抗震性能的影响,基于易损性方法研究不同形式桥墩的地震损伤概率。通过Pushover分析,提出双柱式桥墩在横向地震作用下的位移能力计算经验公式。根据得到的位移能力经验公式,确定桥墩在不同破坏状态下的损伤指标。基于Open Sees分析平台建立桥梁模型,分析横系梁高度、刚度、根数等设计参量对桥墩易损性的影响。通过对比桥墩的位移能力和地震需求,得到其在不同破坏状态下的地震易损性曲线。结果表明:设置双横系梁相对于单横系梁,桥墩破坏概率降低10%;当刚度比在0.15~1之间,增大刚度比能够明显降低墩柱的破坏概率;当横系梁高度为0.3H~0.7H时,桥墩的破坏概率会随着横系梁高度的减小而增加。研究结论可为设置横系梁的双柱式桥墩抗震性能评估及其抗震设计提供参考。     

自复位剪力墙结构四水准抗震设防下基于位移抗震设计方法

与传统剪力墙结构体系相比,自复位剪力墙结构体系在地震作用下,会将材料非线性问题转为体系非线性问题,具有整体变形能力强、残余位移小的特点,因此,亟需针对自复位剪力墙结构,提出具有更高抗震设防要求的抗震设防目标以及相应的设计方法。基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准抗震设防目标,与2015年颁布的第五代《中国地震动参数区划图》相适应,提出了可恢复功能结构体系“小震及中震不坏,大震可更换、可修复,巨震不倒塌”抗震设防四水准目标。采用了基于位移的抗震设计方法进行自复位剪力墙结构设计。以一幢自复位剪力墙结构为例,给出四水准抗震设防目标下的基于位移设计方法算例,并对其进行弹塑性时程分析,验证了所提出的四水准抗震设防目标下基于位移抗震设计方法的有效性,该方法也适用于其他可恢复功能结构体系设计。     

高墩连续梁桥隔震设计

针对某高墩连续梁桥结构设计难以满足抗震设防要求的问题,提出了采用盆式橡胶支座与隔震支座的组合约束方案,通过分析表明,该组合结构约束体系减小了桥墩的地震内力和滑动支座的位移,抗震性能良好。     

基于动力时程分析的装配式桥墩抗震性能研究

桥梁设计与施工需要高度关注装配式桥墩的抗震性能,以某公路桥梁墩柱为例,基于时程分析法研究装配式桥墩的抗震性能。建立灌浆套筒连接式桥墩的钢筋混凝土结构模型,对该装配式桥墩在人工地震波作用下的动力时程响应进行有限元模拟,分析其混凝土损伤与钢筋受力特征。结果表明,该装配式桥墩的抗震性能良好,在E1设防地震下混凝土保护层不会损坏,在E2设防地震下墩柱中下部的混凝土保护层会发生损伤,但主筋应力远低于屈服强度,墩柱结构仍具有较高的安全性。     

城市连续梁桥双柱墩E2地震作用墩顶容许位移计算

文章结合工程实例,按照桥梁延性抗震设计的思路,从原理上推导并验证了E2地震作用下规则桥梁双柱式桥墩墩顶纵向容许位移。采用有限元数值模拟的方法,对双柱式桥墩进行非线性静力分析,得到E2地震作用下双柱式桥墩墩顶横向容许位移,并且阐述了计算方法和流程。     

基于线桥一体化模型的高速铁路桥梁抗震性能及设计方法研究

我国高速铁路桥梁大多处于高烈度地震区,其轨道结构广泛采用无砟轨道系统。由于无砟轨道系统的纵向刚度较大,导致桥梁相邻桥跨间的地震效应耦合显著。在进行桥梁地震反应分析时,现有的抗震计算模型均未考虑无砟轨道系统的约束效应。以我国高速铁路无砟轨道桥梁为研究对象,进行基于性能的抗震设计研究。通过建立地震作用下的高速铁路桥梁线桥一体化模型,采用理论分析、有限元计算及模拟地震振动台试验相结合的研究方法,重点研究不同地震作用下桥梁的地震反应规律,基于IDA的桥梁结构在大震下的抗震薄弱部位、重力式桥墩的地震易损性以及支座的不同损伤状态对桥梁下部结构的影响。主要研究以下内容:(1)针对高速铁路桥梁中采用的不同无砟轨道形式,提出了板式无砟轨道桥梁的简化抗震计算模型,通过与精细化抗震计算模型进行对比研究,验证了简化模型的合理性。同时,提出了双块式无砟轨道桥梁的线桥一体化抗震精细化及简化计算模型,并进行了对比验证。基于三水准设防的抗震设计方法,提出了多遇地震及罕遇地震作用下的线桥一体化精细化抗震计算模型,给出了模型中各构件的力学参数合理取值。同时考虑到精细化模型的复杂性,为便于应用,提出了考虑轨道系统约束影响的线桥一体化简化抗震计算模型,可对《铁路工程抗震设计规范》中建议考虑桥面系影响时计算模型的建立提供参考。(2)以高速铁路无砟轨道32 m简支梁桥为原型,设计并制作1∶20单跨简支梁桥缩尺模型进行振动台试验,分别研究有、无轨道约束条件下,简支梁桥在不同地震作用下的地震反应。结果表明,无砟轨道系统对高速铁路简支梁桥的动力特性及地震反应影响显著。考虑轨道系统的影响后,桥梁的纵桥向自振频率与阻尼比均增大。轨道系统的存在增大了桥梁整体的刚度,增强了各跨之间的耦联性,改变了桥梁上部结构惯性力大小及分布。无砟轨道桥梁抗震设计时应考虑无砟轨道系统的影响。(3)从基于性能的抗震设计角度出发,提出了我国高速铁路无砟轨道桥梁抗震设计理论框架。针对无砟轨道桥梁线桥一体化抗震计算模型,分别提出了多遇、罕遇地震下的地震反应分析方法及抗震验算方法。基于IDA研究得出了桥梁结构在大震下的抗震薄弱部位。结果表明,支座水平抗力与其竖向承载力的相对关系决定了桥梁的地震破坏模式,当支座的水平抗力取其竖向承载力的20%时,支座成为结构的抗震薄弱部位;当支座的水平抗力取其竖向承载力的30%时,墩身成为结构的抗震薄弱部位。由于支座的破坏比桥墩破坏的修复更容易,建议高烈度区桥梁支座的水平承载力不宜取值过大,但为防止支座破坏后发生落梁,应加强防落梁措施。(4)以某高速铁路上双块式无砟轨道梁桥为研究对象,通过IDA分析,分别研究了有、无轨道系统约束条件下,桥梁结构的动力特性及其地震易损性。同时,研究了轨道约束下墩身配筋率对重力式桥墩及桥梁系统易损性的影响。研究结果表明,轨道系统的存在,提高了桥梁整体刚度,桥梁结构的自振周期减小。结构发生完全破坏时,轨道约束下的超越概率明显减小。重力式桥墩在进入完全破坏状态之前,考虑轨道约束时的损伤超越概率低于不考虑轨道约束模型;进入完全破坏状态后,轨道约束下的超越概率明显减小。对于少筋混凝土桥墩(配筋率为0.1%～0.5%),随着配筋率的增大,桥墩的损伤状态表现出由部分延性至完全延性的破坏特征。桥梁系统在中等损伤状态下,连续梁的固定墩控制整个桥墩系统的易损性,在完全破坏损伤状态下,整个桥墩系统的易损性需综合固定墩、联间墩及活动墩的易损性。(5)通过研究轨道系统约束下支座的不同损伤状态对桥梁下部结构的影响,并与不考虑轨道约束计算结果进行比较表明:对于连续梁桥与多跨简支梁桥组合桥型,当连续梁固定支座损伤进入干摩擦状态,或一联内其他活动支座进入咬合或干摩擦状态,均可有效降低固定墩墩底内力。当固定支座进入干摩擦状态而其他支座正常工作时,结构受到的地震作用减小。而当活动支座进入咬合状态后,活动墩与固定墩共同参与受力,也能降低固定墩的地震反应,按传统模型进行计算严重低估了联间交界墩的地震反应。对于墩高相近的多跨简支梁桥,轨道约束有效减弱了中间墩的地震内力,各墩底弯矩呈抛物线型分布,且距离桥台越近,墩底弯矩降低越明显。设置在同一墩顶的两排支座如同时进入干摩擦损伤后,大震作用下,可降低该墩的墩底内力。在进行实桥的抗震计算时,应合理考虑桥梁支座可能处于的各种工作模式及轨道约束的影响,以便得到桥墩的最不利内力。     

一种受控摇摆式钢筋混凝土框架基于性能的抗震设计方法

受控摇摆式钢筋混凝土框架通过引入弹性摇摆柱和摇摆节点来弱化结构整体刚度,减少结构在地震中的损伤,并使用无黏结后张预应力筋提供结构弹性恢复力,实现结构地震后自复位。在已有理论分析和试验研究的基础上,对该类结构的抗震设计方法进行研究,确定受控摇摆式钢筋混凝土框架结构的抗震性能水准,给出抗震设计流程。以一个三层三跨钢筋混凝土框架为例进行基于性能的抗震设计,选用3条波进行动力时程分析,模拟结构遭遇罕遇地震的动力响应。分析结果表明：受控摇摆式钢筋混凝土框架结构在罕遇地震作用下,最大层间位移角满足设计要求的性能目标,并且表现出优异的抗震性能的和良好的自复位能力,验证了基于性能抗震设计方法的有效性。     

铁路桩基础桥墩墩底摇摆隔震机制及抗震设计方法研究

近年来,基底摇摆隔震受到国内外学者的广泛关注,由于该方法从结构底部切断了地震传力路径,因而具有隔震效果好,震后可实现自复位的优点。本文针对墩底摇摆隔震问题,通过试验和数值方法研究其摇摆隔震机制及抗震设计方法,为墩底摇摆隔震桥墩在铁路桩基础桥梁中的运用提供依据。(1)基于前期关于铁路高墩桥梁墩底摇摆隔震方法的研究基础,通过对现有铁路桩基础桥墩的设计进行改进,提出一种带有限位耗能钢筋的墩底摇摆隔震方法,并与自由摇摆隔震和无黏结预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震的方法进行了对比,阐述了3种不同摇摆模式桥墩的隔震原理。(2)通过拟静力试验获得了3种不同摇摆隔震桥墩的初始刚度、提离荷载、极限荷载。分析了摇摆隔震桥墩的滞回特性和耗能机制,并研究了预应力防倾覆钢筋和限位耗能钢筋的约束效应及其对摇摆隔震桥墩的抗倾覆能力的影响。结果表明,自由摇摆桥墩摇摆过程中存在抗倾覆能力不足的问题,限位耗能钢筋约束摇摆隔震桥墩具有刚度较大且耗能性能较好的优点,预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震桥墩具有较好的自复位性能。(3)通过振动台试验获得了3种摇摆隔震桥墩在不同的地震波输入条件下的地震响应,包括墩顶水平加速度、水平位移和加台的竖向提离加速度、提离位移。分析了限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋对桥墩提离摇摆反应的影响。结果表明,自由摇摆隔震桥墩的摇摆反应过大,且碰撞效应明显,不利于桥梁抗震;限位耗能钢筋摇摆隔震桥墩约束效应强,可以明显减小墩顶摇摆幅度;而预应力防倾覆钢筋既可以控制摇摆幅度,同时具有自复位的功能。限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋摇摆隔震桥墩的隔震效果均较好,能满足设计要求。(4)结合试验结果,提出了可模拟有限位耗能钢筋的摇摆隔震桥墩的四弹簧计算模型。同时利用两弹簧、三弹簧和四弹簧模型分别模拟了3种墩底摇摆隔震桥墩,建立了有限元分析模型,进行了Pushover和动力响应数值分析。分析结果与模型试验结果的骨架曲线吻合度较高。动力响应分析结果与振动台试验得到的加速度、位移试验曲线也具有较好的吻合度。表明了本文采用的弹簧模型能够在一定程度上模拟摇摆隔震桥墩在地震作用下的力学性能。(5)基于模型试验和数值分析结果,针对本文的3种墩底摇摆隔震桥墩提出了关键构件(加台、限位耗能钢筋、预应力防倾覆钢筋)的抗震设计原则。验证了一弹簧分析模型(转动弹簧模型)可以用于桥墩的墩底摇摆隔震简化计算。给出了为防止基础提离时局部混凝土压碎而增设的加台底钢板尺寸的计算公式。提出了摇摆隔震桥墩桩基础的计算模型。通过对原型桥墩进行抗震计算,分析了摇摆隔震桥墩与非隔震桥墩及基础的地震反应,讨论了隔震前后桩基础配筋率的变化。结果表明,隔震后的桩身只需配少量的钢筋即可满足抗震设计要求。     

基底摇摆隔震桥墩振动台试验与数值模拟研究

为了研究不同构造形式的基底摇摆隔震桥墩在不同水准地震作用下的响应规律和抗震性能，提出了设置高阻尼橡胶垫块和线性弹簧的两种基底摇摆隔震桥墩模型。通过振动台试验和数值模拟，对两种摇摆隔震桥墩的地震响应规律和抗震性能进行了对比研究。结果表明：两种基底摇摆隔震桥墩在不同水准地震作用后，桥墩均没有出现严重的破坏，其破坏特征主要表现为限位钢板的弯曲变形和提离约束部件的移位，桥墩呈现出良好的抗震性能；两种基底摇摆隔震桥墩相对于传统桥墩能够显著降低墩顶加速度和墩底应变响应，但墩顶水平位移响应也会相应增加，在摇摆隔震桥墩的设计上，应将墩顶水平位移作为主要设计参数；提出了两种基底摇摆隔震桥墩改进的Winkler两弹簧数值计算模型，通过与振动台试验结果对比，证明了该模型能够较好地模拟两种基底摇摆隔震桥墩的摇摆行为及其地震响应规律。     

摇摆结构及自复位结构研究综述

放松结构与基础间约束或构件间约束,使结构与基础或构件间接触面处仅有受压能力而无受拉能力,则结构在地震作用下发生摇摆,通过自重或预应力使结构复位,形成摇摆结构及自复位结构。已有研究表明,结构的摇摆降低了地震作用和结构本身的延性设计需求,减小了地震破坏,节约了结构造价。本文首先回顾了摇摆及自复位结构的发展历史,简要介绍了摇摆及自复位结构的基本原理,综述了摇摆桥墩、摇摆及自复位钢筋混凝土框架结构、摇摆及自复位钢框架结构、摇摆及自复位剪力墙结构、摇摆框架－核心筒结构等不同结构体系的发展现状,总结了摇摆及自复位结构发展趋势,并指出后张预应力和消能减震等多种技术的联合应用为摇摆及自复位结构的未来发展方向之一。     

自复位钢筋混凝土框架结构振动台试验研究

为研究自复位钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能,设计了一个比例为1/2的两层自复位钢筋混凝土框架结构,通过放松结构与基础间的约束和梁柱间的约束,结构在地震作用下发生摇摆,通过预应力使结构复位,实现自复位效果。通过振动台试验,研究了试验中模型结构在各级水准地震作用下的动力特性、加速度反应、位移反应和节点局部反应,描述了模型结构的破坏位置及过程,分析了模型结构的自复位能力。试验研究表明:自复位钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能和自复位能力;结构在大震作用下有较好的延性和变形能力,震后基本无残余变形。     

自复位钢筋混凝土框架结构振动台试验研究

为研究自复位钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能,设计了一个比例为1/2的两层自复位钢筋混凝土框架结构,通过放松结构与基础间的约束和梁柱间的约束,结构在地震作用下发生摇摆,通过预应力使结构复位,实现自复位效果。通过振动台试验,研究了试验中模型结构在各级水准地震作用下的动力特性、加速度反应、位移反应和节点局部反应,描述了模型结构的破坏位置及过程,分析了模型结构的自复位能力。试验研究表明：自复位钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能和自复位能力;结构在大震作用下有较好的延性和变形能力,震后基本无残余变形。     

不同类型地震动作用下双柱墩梁桥的隔震控制

远场类谐和地震动更易引起桥梁破坏,为此,以某双柱墩梁桥为结构,分别建立抗震模型与隔震模型,分析其在远场类谐和地震动与普通地震动下的动力响应,揭示隔震后主梁、墩柱和支座的地震响应变化。此外,分析SSI效应时隔震梁桥的主梁位移、桥墩弯矩和剪力以及墩顶位移变化规律。结果表明;远场类谐和地震动下隔震可减少主梁纵桥向位移防止主梁与桥台碰撞,当类谐和地震动峰值加速度较大时,隔震梁桥桥墩横桥向地震响应较抗震结构会有所增大,带来不利影响;考虑桩-土作用的梁桥墩-系梁连接点纵向弯矩随着桩-土刚度减小而增大,墩-系梁连接点容易发生纵向弯曲破坏。     

耗能钢筋配筋率对圆形自复位空心桥墩抗震性能影响分析

为了进一步研究自复位桥墩的抗震性能,基于有限元软件ABAQUS建立圆形自复位空心桥墩模型。对模型施加低周往复荷载,进行拟静力分析。以耗能能力、极限位移、屈服荷载、极限荷载、屈服位移为研究目标,对比分析在不同耗能钢筋配筋率(分别为0.2%,0.22%,0.24%,0.26%,0.28%,0.30%)下自复位空心桥墩的的抗震性能。结果表明,圆形自复位空心桥墩可有效减小残余位移;随着耗能钢筋配筋率的增加,自复位桥墩屈服位移保持不变,屈服荷载、桥墩耗能能力逐渐增大;当耗能钢筋配筋率超过0.28%时,桥墩耗能能力提升趋势、极限位移下降趋势有所减缓;为避免耗能钢筋失效,桥墩产生过大残余变形,同时保证自复位空心桥墩抗震性能,耗能钢筋配筋率宜控制为0.24%～0.28%。     

地震作用下中等跨径RC连续梁桥系统易损性研究

中等跨径混凝土连续梁桥是一种广泛应用的桥梁结构形式,地震作用下该类桥梁的破坏主要体现在桥墩、桥台和支座位置。以一典型多跨连续梁桥为例,考虑材料强度和上部结构容重等不确定性因素的影响,运用拉丁超立方抽样方法建立了10个桥梁样本。根据场地类型从PEER强震数据库中选取100条地震波来模拟地震动的不确定性,并与10个桥梁样本随机组合。对结构进行非线性时程分析后得到结构的响应,并分别定义了各构件的四种极限破坏状态,采用传统可靠度概率方法形成了桥墩、桥台和支座的易损性曲线,并运用联合失效概率方法研究了结构的系统易损性。研究结果表明:该类型桥梁的支座比墩柱、桥台更容易遭受地震破坏,尤其是桥台处活动支座;采用一阶界限法和二阶界限法计算的结构系统失效概率均大于各构件破坏概率,显然用结构系统易损性来评估桥梁抗震性能更为合理。