横桥向地震作用下高速铁路CRTS Ⅱ板式无砟轨道-桥梁系统残余变形与钢轨变形的映射模型

我国多数已建高速铁路线路穿越地震频发区，大量高速铁路桥梁-轨道系统面临地震考验。文章结合地震作用下轨道-桥梁系统典型损伤失效特征，综合考虑系统层间传力机制，采用能量方法建立系统层间构件残余变形引起的钢轨映射变形求解通用模型。通过建立考虑层间滞回特性的轨道-桥梁精细化有限元模型，开展轨道-桥梁系统在典型近场地震作用下的非线性动力响应分析，提取层间构件峰值和残余位移以及钢轨残余变形，结果表明：系统损伤主要集中在滑动层及支座。基于文中建立的钢轨映射变形求解通用模型，分别评估滑动层及桥梁主梁残余位移引起的轨面映射变形分量，求得各构件震致残余变形协同影响引起的轨面映射变形几何叠加解，并与有限元结果中的震后钢轨残余变形进行对比，钢轨映射变形叠加解与钢轨残余位移有限元结果吻合良好，有效验证文中建立的钢轨映射变形求解模型。该文建立的钢轨映射变形模型为评估轨道-桥梁系统不同部位震致损伤对震后钢轨几何不平顺影响提供了一种新思路。     

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。     

地震动速度脉冲对减隔震连续梁桥纵向地震响应的影响

本文分别选取台湾集集和Imperial Valley地震中有、无速度脉冲效应的两类实际地震记录作为地震动输入,基于一座实际连续梁桥,通过SAP2000软件建立有限元分析模型,以铅芯橡胶支座、拉索减震支座为研究对象,以非减震体系为对比,系统考察了速度脉冲对减隔震连续梁桥纵向地震响应的影响。结果表明:速度脉冲对非减震以及减隔震连续梁桥的纵向地震响应均有放大作用;在速度脉冲作用下,与非减震桥梁结构相比,虽然铅芯橡胶支座能较大程度减小地震内力响应,但支座变形能力无法满足变形需求,而拉索减震支座在实现减小桥梁地震内力响应的同时仍具有较好的限位能力,重视力与位移之间的平衡,具有较好的减隔震效果。     

简支梁桥采用减隔震装置后抗震性能分析

介绍了桥梁隔震的概念。以3座不同柱高的城市高架桥工程为实例,分别采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座隔震装置。研究采用隔震装置的高架桥地震反应计算表明:随着立柱的高度增加,结构的柔性增大,桥梁的抗震性能也越好;采用铅芯橡胶支座后,桥梁地震响应明显降低,桥梁抗震性能显著增强。以上海软土地基为基准刚度,研究了基础弹性刚度对采用铅芯橡胶支座桥梁地震响应的影响。结果表明:当基础弹性刚度小于基准值的5倍时,应考虑基础的弹性影响;当刚度大于基准值的5倍时,其影响甚微。     

铅芯橡胶支座在连续梁桥上的应用

本文以6×25m桥梁工程为背景,对该桥进行了非线性时程分析,并对比分析了普通板式支座桥梁和铅芯橡胶支座减隔震桥梁的地震响应。结果表明:使用铅芯橡胶支座后,桥梁顺桥向和横桥向各墩墩底剪力和弯矩都明显减小;桥梁顺桥向和横桥向梁端位移也明显减小;各墩墩顶位移也减小很多。铅芯橡胶支座的使用,降低了桥梁地震响应,增强了桥梁在地震作用下的安全性。     

设置限位器的双向隔震铁路桥梁动力响应特性研究

通过在铅芯橡胶支座的两侧安装X型钢棒,形成有限位功能的铁路桥梁专用的双向隔震支座,有效限制中、小地震作用下支座的相对位移,保证中、小地震作用下轨道结构不发生破坏,以及列车运行的安全性。利用反应谱法设计铅芯橡胶支座和X型钢棒限位器,并采用ANSYS建立精细有限元模型,对铅芯橡胶支座双向隔震桥梁模型和采用新型双向隔震支座的桥梁模型进行地震时程响应的对比分析。分析结果表明,新型隔震支座在中、小地震下有效限制桥梁上部结构的位移,保护轨道结构不破坏,大震时具有较好的隔震减震效果。     

轨道结构对板式轨道桥梁抗震性能的分析

为研究轨道结构对地震作用下桥梁体系位移、内力的影响,利用大型有限元软件ANSYS建立了考虑和不考虑轨道结构体系的3跨预应力连续箱梁形式的高架桥模型,分析天津宁河波作用时,该高架桥两种情况下的地震响应。结果表明:轨道结构可以加强桥梁体系的整体刚度,地震作用时,考虑轨道结构模型的各方向位移分量和各跨中弯矩及支座处剪力明显小于不考虑轨道结构模型的各方向位移分量和各跨中弯矩及支座处剪力,由此表明,设计中不考虑轨道结构是一种偏于安全的设计方法。     

近断层区桥梁组合使用板式橡胶支座和黏滞阻尼器方法探讨

选择具有脉冲性质的近断层区地震动记录和无脉冲地震动记录作为地震输入,考察了近场脉冲型地震动对我国常见的板式橡胶支座类型桥梁地震反应的影响。针对国内外抗震规范及学者提出的橡胶支座与黏滞阻尼器组合使用方法,研究了近场脉冲型地震动作用下板式橡胶支座桥梁组合使用黏滞阻尼器的减震效果,探讨了橡胶支座与黏滞阻尼器组合使用时可能存在的问题。结果表明,近场脉冲型地震动对桥梁结构地震反应影响明显,显著增大了板式橡胶支座桥梁的墩柱地震力、梁体地震位移及梁体残余位移;组合使用黏滞阻尼器方法虽能一定程度上控制梁体地震位移及残余位移,但同时以增大墩柱地震反应为代价;近场脉冲型地震动作用下,板式橡胶支座桥梁支座滑动后整桥体系缺乏自恢复力、震后存在梁体残余位移,组合使用黏滞阻尼器无法根本解决,可在支座与墩、梁间设置连接措施加以改善。     

高烈度区连续梁桥的地震响应特性研究

以一3跨连续梁桥为背景,对高烈度区采用普通盆式支座桥梁的地震响应及铅芯橡胶支座的隔震效果进行研究。采用不同地震加速度峰值的地震波作为地震输入对结构进行非线性时程分析,分别研究了高烈度区连续梁桥的地震响应特性,以及高烈度区盆式支座和铅芯橡胶支座桥梁地震响应差异。结果表明:在高烈度区桥梁会产生更大的地震响应,主梁、桥墩和支座的地震响应明显增加;使用铅芯橡胶支座能够较好地达到减震目的,除支座位移和主梁位移外,桥墩响应和支座剪力均明显减小。在高烈度区,铅芯橡胶支座依然可以发挥减震作用,其减震效果甚至会优于在低烈度区的使用。     

考虑退化效应的滑移铅芯橡胶支座力学性能精细建模与模型验证

隔震支座是隔震结构地震响应控制的关键构件,滑移铅芯橡胶隔震支座具有协调上部结构温致变形、地震作用下可耗能复位等优势,但往复荷载作用下其力学性能退化显著。文章建立考虑支座性能退化的滑移铅芯橡胶支座精细数值模型,开展不同竖向压力、加载频率、加载位移幅值时滑移铅芯橡胶支座压剪力学性能分析,并基于支座试验结果验证模型的准确性,进一步探明支座性能退化对隔震桥梁地震响应的影响。结果表明：竖向压力增大会改变滑移铅芯橡胶支座的滞回力-位移关系,从而提升其耗能性能;加载频率对摩擦力的影响随加载频率增大而显著减小;加载位移幅值越大,支座单周耗能能力、等效刚度随滞回周期的增加减小越显著;相比已有数值模型,考虑支座性能退化的精细数值模型分析结果与试验结果吻合更好,模型误差显著减小。隔震周期越大,支座性能退化对隔震桥梁地震响应的影响越显著,应在隔震结构设计与性能分析中予以关注。