桥梁抗震2020年度研究进展

地震可能对桥梁结构产生巨大的破坏力,造成桥梁损伤,甚至垮塌。桥梁抗震一直是桥梁领域内的重要研究方向。本文归纳总结了2020年桥梁抗震领域的研究成果和发展趋势,主要包括：探索了用新型材料代替普通混凝土后墩柱的抗震性能;通过振动台实验和数值模拟,验证了摇摆隔震桥墩具有良好的抗震性能;采用碳纤维布护套加固墩柱可以显著提高墩柱的位移延性,减少残余位移;传统单肢转双肢薄壁高墩的抗震性能更好,主筋率较高的双肢薄壁墩滞回曲线较为饱满,耗能性能良好,提高轴压比显著提高桥墩的延性性能;带消能连梁的矩形空心双柱式高墩具有更好的耗能能力、承载能力和位移延性能力;采用摩擦摆支座加限位耗能杆的减隔震体系,具有良好减隔震效果,内力减震率可达20%以上;研究了用新型无粘结钢网橡胶支座（USRB）代替桥梁中无粘结叠层橡胶支座（ULNR）的可靠性;通过数值模拟,探究了近场地震动和土结构相互作用对桥梁动力响应的影响。     

横系梁对双肢薄壁墩连续刚构桥稳定性影响分析

连续刚构桥较多采用双肢薄壁墩,而双肢薄壁墩的纵向刚度偏小,稳定性较差.在设计中可通过设置横系梁的方式来改善桥墩的纵向刚度.为得到最合理的横系梁设置方案,采用空间有限元软件MIDAS CIVIL建立有限元模型,从施工和成桥两个阶段分析横系梁的设置数量及设置位置对双肢薄壁墩稳定性的影响,总结出系梁合理设置数量及位置,对同类桥梁横系梁的设置提供参考.     

具自复位摩擦阻尼器的桥梁隔震性能研究

目前桥梁隔震技术的应用越来越广泛,但这一技术不可避免地会引起震后桥梁上下部结构之间残余位移过大的问题。为有效降低上部结构的惯性力传递至桥墩,使其具有良好的隔震能力,同时减小上部结构复位时的阻尼,增强其自复位能力,降低震后桥梁的修复费用,提出由一种新型自复位摩擦阻尼器和聚四氟乙烯滑板支座代替传统的隔震支座。该阻尼器当活塞向远离平衡位置方向移动时,具有较为稳定的摩擦力使其具有较好的耗能能力;当活塞向平衡位置方向移动时,不具有摩擦力,减小了摩擦力对复位力的消耗,提高了其自复位能力。采用柔性拉索将此阻尼器与桥梁的上下部结构相连,保证阻尼器只受拉且可实现上部结构相对桥墩的往复运动,形成自复位隔震桥梁体系。为验证该隔震桥梁体系的效果,利用OpenSees建立一座4跨连续梁桥模型,分别配置非隔震桥梁支座、铅芯橡胶支座和自复位摩擦阻尼器与聚四氟乙烯滑板支座联合工作的隔震体系,在横桥向输入地震动记录进行时程分析,考察3种桥梁结构的墩顶位移、墩梁相对位移和桥墩内力。结果表明：在相同地震作用下,自复位隔震桥梁体系相对于非隔震桥梁墩顶位移降低为原来的1/8,墩底剪力和墩底弯矩降为原来的约1/3;与配置铅芯橡胶支座的隔震桥梁体系相比,自复位隔震桥梁体系基本没有墩梁相对残余位移。以上说明提出的自复位摩擦阻尼器及具自复位摩擦阻尼器的桥梁隔震体系有较好的隔震和自复位能力。     

单肢转双肢薄壁高墩桥梁的抗震性能

为研究不同桩土模型对单肢转双肢薄壁高墩的地震响应差异,以及单肢转双肢薄壁高墩与双肢薄壁高墩地震响应的不同,以一座采用单肢转双肢薄壁高墩的大跨径桥梁为例,采用有限元软件Midas Civil建立三维动力分析模型,分析了直接嵌固、等效嵌固和六弹簧法3种桩土效应对桥墩抗震性能的影响.结果表明:对单肢转双肢高墩桥梁进行地震响应分析时,忽略桩土效应的计算结果并不总是偏于安全的,采用等效嵌固法模型的计算结果则是偏于安全的.三向地震作用下,单肢转双肢高墩的墩顶顺桥向极限位移值小于传统的双肢薄壁高墩的墩顶位移.     

自复位混凝土剪力墙抗震性能研究进展与展望

强震后工程结构功能快速恢复,是近年来可持续发展工程抗震的重要研究领域.由于通过释放墙片节点约束并沿墙高通长布置并后张无黏结预应力筋实现摇摆回复及倾覆控制,地震动下摇摆和界面张合效应可使自复位混凝土剪力墙表现为无震损或低震损及小残余变形,甚至无残余变形.作为可恢复功能结构体系重要组成部分的自复位混凝土剪力墙结构、技术、理论与设计方法正持续发展.在结构体系上,包括受控摇摆单肢墙、混合摇摆单肢墙、竖向连接耗能联肢墙以及连梁耗能联肢墙结构4种自复位剪力墙,均具备明确的自复位能力,但耗能钢筋/部件组装程度导致了不同结构体系的耗能能力差异明显;在设计方法上,传统的基于力的抗震设计方法难以直接应用,应确定相关性态极限状态和控制点并完善残余变形验算,提出基于位移性态的自复位剪力墙抗震设计方法;非线性分析方法上,纤维模型、集中塑性模型、多弹簧模型以及实体有限元模型等均可较精确地进行自复位剪力墙结构的模拟分析,但仍需有针对性考虑相关参数敏感程度.进而,提出开展预应力筋弹性和非弹性受力行为及其摇摆转动中的变形能力与损失,楼屋盖等水平连接对自复位能力和震损影响,强震下预应力筋和耗能元件失效下自复位剪力墙倾覆,多墙片拼装竖向多节点摇摆的自复位剪力墙高阶振型效应与残余变形预测等四方面研究,为自复位混凝土剪力墙结构体系研发与应用提供理论和技术支撑.     

群桩基础对自复位高墩地震反应的影响

为探讨群桩基础对自复位高墩地震反应的影响,本文给出了群桩基础的有限元模拟方法。基于Open Sees平台建立了考虑群桩基础的自复位高墩有限元模型,输入3条强震记录,进行了考虑群桩基础的自复位高墩地震反应分析,并与不考虑群桩基础的自复位高墩地震反应进行了比较。结果表明:群桩基础改变了自复位桥墩的提离位移、桥墩刚体转动及桥墩弹性变形引起的墩顶水平位移反应量值,群桩基础对自复位高墩的墩顶水平位移反应量值有影响。群桩基础对自复位高墩的墩底弯矩反应量值有影响,总体上看,考虑群桩基础会减小墩底弯矩。忽略群桩基础的影响时,对设计来说偏于安全。     

长细比对自复位矩形空心桥墩抗震性能影响分析

以探究自复位矩形空心桥墩的抗震性能为目的,在有限元软件ABAQUS的基础上,通过建立自复位矩形空心桥墩对模型进行分析.对模型施加低周往复荷载进行拟静力分析,得到墩顶侧向位移、墩顶侧向力、屈服荷载、屈服位移、极限荷载、极限位移等参数并进行分析,探究了15,17.5,20,22.5,25共5种不同长细比下矩形空心桥墩的抗震性能.结果表明:桥墩的耗能能力受桥墩长细比影响较大,屈服荷载、屈服位移、极限荷载、极限位移等桥墩相关性能也受长细比的影响;长细比不断增大时,桥墩耗能能力不断降低,下降幅度逐渐减小,桥墩的屈服荷载和极限荷载不断降低,桥墩的屈服位移和极限位移不断提高,桥墩的延性也逐渐提高.     

脉冲型地震动作用下双薄壁墩参数对矮塔斜拉桥地震反应的影响

以某双塔三跨矮塔斜拉桥为背景,通过非线性分析探究脉冲型地震动下双薄壁墩的几何参数对矮塔斜拉桥桥墩地震反应影响规律,为抗震设计中双薄壁墩几何参数取值提供一些参考依据。结果表明：壁厚主要影响结构基频,双肢中心距主要影响结构高阶频率,墩高同时影响结构基频和高阶频率;相比于远场无脉冲地震动,横向脉冲型地震作用下墩的内力反应增幅超过20%,纵向脉冲型地震作用下墩的内力反应增幅超过30%;远场地震动及近断层地震动作用下,墩参数在工程合理取值范围内,减小双薄壁墩的厚度、增加墩高能减小桥墩地震反应;双肢中心距对墩的地震反应影响很小,减小壁厚能提高墩的延性,双肢中心距和墩高不影响桥墩延性。     

近场地震动对桩基础高墩摇摆反应的影响

为明确桩基础高墩自复位隔震装置的适用范围,研究了近场地震动特性对桩基础高墩摇摆反应的影响．以断层距作为识别近场地震动的主要参数来选取地震动,采用两弹簧模拟桥墩的提离摇摆,基于某铁路高墩桥梁,采用非线性时程分析方法,讨论了近场地震动对高墩摇摆反应的影响．结果表明,近场水平地震动显著增大墩顶的摇摆位移,竖向地震动对桩基础高墩的摇摆反应有不利影响．在近断层地震区桩基础高墩应谨慎采用摇摆隔震装置．     

（英文）预制节段拼装混凝土双柱墩的抗震性能拟静力试验分析（英文）

本文以和田至若羌新建铁路项目中的灌浆套筒拼接与预应力节段预制拼接混凝土双柱墩为研究对象,通过实验室缩尺拟静力试验和数值分析,从破坏模式、承载力、延性、等效刚度和耗能能力等方面,对比研究了两种拼接形式双柱墩的抗震性能。研究结果表明,灌浆套筒拼接和预应力节段预制拼接双柱墩的破坏模式均为弯曲破坏。然而,灌浆套筒拼接桥墩的破坏模式与传统现浇桥墩相似,主要表现为墩底接缝处的混凝土压碎。预应力节段预制拼接桥墩的破坏主要表现为墩身与承台拼接处摇摆节点的形成。灌浆套筒拼接桥墩滞回曲线饱满,等效刚度大,耗能能力强。预应力节段预制拼接桥墩的滞回耗能较小,但是,它具有良好的自复位能力。用试验数据标定的基于位移的梁柱单元和零长单元建立的有限元模型可以有效地模拟单调加载下的装配式桥墩力学性能。     

不同柱脚连接的自复位钢梁框架抗震性能试验

为研究不同柱脚连接形式对带自复位工字钢梁的单层单跨钢框架抗震性能的影响,设计制作了两个柱脚分别为固接和铰接的自复位框架试件,通过低周往复荷载试验,分析了试件的受力发展过程、承载力、滞回特性、延性、耗能能力及自复位能力.研究表明:柱脚固接的自复位钢框架,由于柱脚屈服后所需的恢复力远大于自复位工字钢梁提供的复位拉力,残余变形较大,结构自复位效果较差,因此不建议将其作为此类结构的柱脚连接形式;柱脚铰接的自复位钢框架在试验过程中的受力发展过程与理论分析结果吻合良好,仅耗能元件发生塑性变形,卸载后残余变形较小,具有“可恢复功能结构”的特点;柱脚铰接的自复位钢框架,在4%层间位移角时骨架曲线仍未出现下降段,承载力储备充足,试件的位移延性系数为3.1,等效黏滞阻尼系数为0.19,具有较好的抗震性能.     

考虑阻尼器失效的屈服消能摇摆双层框架墩结构地震反应分析

针对应用延性抗震理念设计的双层桥梁结构震后塑性损伤严重、功能恢复困难的现状，本文基于摇摆理念提出一种屈服消能摇摆双层框架墩结构体系，以控制结构地震损伤和提升结构震后功能可恢复能力。应用拉格朗日方程和动量矩定理建立了该类摇摆结构的刚体动力反应分析模型，并考虑了桥墩复位碰撞造成的能量损失和防屈曲阻尼器的失效。本文以常规双层桥梁结构尺寸的摇摆桥梁为研究对象，采用远场地震动、无脉冲近场地震动和脉冲近场地震动对屈服消能摇摆双层框架墩结构进行了地震反应分析和阻尼器参数分析。分析结果表明：分析屈服消能摇摆双层框架墩结构地震反应时需考虑阻尼器失效的情况，以防止低估结构地震反应的情况发生；阻尼器刚度的增加可提升结构体系减隔震效果，而阻尼器失效伸长量过小不利于结构减隔震。     

近场脉冲型地震动横向激励下附加SCEB双柱式桥墩结构易损性分析

为了研究桥墩结构的震后功能可恢复性,针对附加自复位耗能支撑(self-centering energy dissipation braces, SCEB)双柱式桥墩结构进行基于增量动力分析方法的地震易损性分析,采用最大侧移率和残余侧移率作为性能指标,系统探讨其在近场脉冲型地震动作用下的失效概率.为了对比分析,同时选取60条远场无脉冲型地震动记录对附加SCEB桥墩结构进行了易损性分析.结果表明：在小震作用下,SCEB仅为桥墩结构提供刚度和承载力,在大震作用下还可提供耗能能力,同时可以提供良好的自复位能力;附加SCEB可有效降低桥墩结构在近场脉冲型地震动作用下的失效概率(最大侧移率和残余侧移率),特别是残余侧移率;附加SCEB桥墩结构在近场脉冲型地震动作用下的失效概率大于远场无脉冲型地震动作用下的失效概率.自复位耗能支撑可有效减小桥墩结构的失效概率,提高桥墩结构的抗震性能.     

带自复位耗能连梁的剪力墙结构的抗震性能

为了减小强地震作用下钢筋混凝土联肢剪力墙的连梁结构损伤,实现震后结构功能的快速恢复,提出了一种兼具自复位和耗能功能的新型自复位耗能连梁.新型自复位耗能连梁在跨中安装了由形状记忆合金绞线和粘弹性耗能单元并联而成的新型复合自复位阻尼器.以一榀10层双肢剪力墙结构为例,对连梁跨中分别安装该新型自复位阻尼器的联肢剪力墙、粘弹性...     

地震可恢复功能连梁研究综述与展望

连梁是剪力墙结构的重要耗能构件,可恢复功能连梁具有良好的耗能能力,有效降低结构的层间位移,减小主体结构的损伤,震后可进行更换,成为可恢复功能结构的研究热点之一．基于可恢复功能连梁工作原理,从削弱连梁截面、附加耗能装置以及提高连梁自复位能力3个方面,评述了可恢复功能连梁的研究现状,分析了各类可恢复功能连梁的特点．削弱连梁截面的连梁构造简单,施工方便,但震后残余变形较大;附加耗能装置的连梁具有良好的耗能能力,然而较大的阻尼器变形导致其他构件损伤破坏;自复位连梁性能优越,能有效减小残余变形,但伸长效应显著．提出一种新型自复位双连梁设计方案,介绍其构造与优点,为连梁的抗震设计提供参考．     

冷弯薄壁型钢梁的弯矩-曲率滞回性能试验研究

以跨高比为参数,进行两组(两种典型截面)8片冷弯薄壁型简支钢梁在循环荷载作用下的试验.研究了试件的破坏形态,对其弯矩-曲率滞回曲线、骨架曲线进行分析,考察其滞回性能、延性、耗能能力等重要抗震性能指标.结果表明:冷弯薄壁型钢梁的荷载-位移滞回曲线比较饱满,没有明显的捏缩现象,具有很好的延性和耗能能力;跨高比和宽厚比会严重影响冷弯薄壁型钢梁的滞回性能和延性. 更多还原     

环境温度对SMA–LRB隔震桥梁地震响应的影响

为减小地震作用下桥梁的最大响应及残余变形,结合铅芯橡胶支座(LRB)及形状记忆合金(SMA)的优点,组合形成具有自复位能力的SMA-LRB支座。针对橡胶和SMA材料的温度敏感性问题,基于一座4跨SMA-LRB隔震连续梁桥,考虑SMA-LRB支座在不同环境温度下的力学特性,对不同环境温度下的隔震连续梁桥进行非线性动力时程分析,得到结构关键部位的动力响应。结果表明:LRB上加设SMA可有效控制支座的位移响应,且SMA自复位特性使其对残余位移的控制效果显著;随着环境温度的降低,LRB和SMA-LRB两种支座的峰值位移和残余位移均随之而减小,但SMA-LRB支座对位移控制能力和自复位能力较常温有所降低;支座刚度随着环境温度减小而增大,致使桥墩墩顶位移和墩底剪力也随之增大,且较低墩的墩底剪力对温度变化更加敏感。     

基于IDA的自复位预制剪力墙抗倒塌能力分析

自复位预制混凝土剪力墙通过预应力筋将分段预制墙片沿竖向拼接形成整体,同时在墙底部设置普通钢筋以增加耗能能力。前期的试验研究和数值模拟结果表明,自复位预制混凝土剪力墙具有损伤破坏程度轻、震后残余变形小的特点,是具有震后可恢复功能的抗震结构体系。为进一步研究该类体系在强地震动输入下的性能,特别是抗倒塌性能,设计了4层和6层原型结构,分别采用自复位预制混凝土剪力墙和传统钢筋混凝土剪力墙作为主要抗侧力构件。通过前期试验结果,建立了可靠的数值分析模型,用于后续倒塌分析。采用44条地震动输入对各原型结构进行非线性增量动力时程分析,并建立各自的倒塌易损性曲线,在此基础上采用FEMA P695标准评估和比较各原型结构的抗倒塌能力。分析结果表明,由于耗能能力略小的原因,自复位预制混凝土剪力墙在罕遇地震作用下的水平位移比传统现浇剪力墙稍大,但其在强震作用后的残余变形则明显小于普通钢筋混凝土剪力墙,即具备良好的震后自复位性能。倒塌易损性曲线的对比表明自复位预制剪力墙的变形能力显著优于普通剪力墙,因此震后损伤破坏程度轻。采用FEMA P695标准的方法对各原型结构抗倒塌能力评估结果表明,作者设计的4层和6层自复位预制剪力墙具有与普通现浇剪力墙接近的抗倒塌能力和地震安全冗余度,满足FEMA P695对结构抗倒塌安全性的要求。     

强震下钢筋混凝土Y型桥墩的抗震性能评估

为了研究城市高架桥墩的非线性动力行为特点,在有限元模拟的基础上,对典型的钢筋混凝土Y型桥墩抗震性能进行了评估.分别从桥墩截面性能和桥墩整体构件性能两个层次进行评估,结果表明,在桥墩截面抗震性能评估中得到了桥墩截面在不同轴压比下的弯矩-曲率曲线,推导出截面抗震性能评估公式,绘制了轴压比和曲率延性系数曲线;在桥墩构件抗震性能评估中分析了桥墩位移延性能力,并选取墩高和轴压比为控制变量对比分析了Y型桥墩构件的整体耗能特点.     

型钢混凝土自复位双肢墙板的恢复力模型

为明确型钢混凝土（steel reinforced concrete,SRC）自复位双肢墙板的恢复力模型和参数确定方法,在低周往复加载试验的基础上,研究了双肢墙板在水平荷载作用下的破坏形态和工作机制。墙板的变形及破坏历程为:墙板摇摆和耗能器剪切屈服。墙板的破坏主要集中在耗能器上,具有良好的自复位能力。根据墙板的滞回特征,提出恢复力模型,包括骨架规则、卸载规则和反向加载规则三部分,并提出影响恢复力模型的10个参数。其中,3个刚度参数和3个强度参数确定骨架规则,4个位移参数确定卸载规则和反向加载规则。基于双肢墙板、预应力筋、耗能器和框架梁的协同工作机制,提出了影响恢复力模型的刚度参数、强度参数和位移参数的确定方法。与试验结果进行对比,试验滞回曲线与模拟得到的滞回曲线吻合较好,试验耗能和模拟耗能也基本一致。研究结果表明:本文提出的恢复力模型能较好地描述型钢混凝土双肢墙板的滞回特征,参数确定方法具有较好的分析精度。