高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

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。     

人字桥梁多维地震作用下振动台试验研究

按1/20的几何比例制作一典型人字曲线桥梁模型,进行了多维振动台试验,并针对试验模型建立数值分析模型,研究人字曲线桥梁在多维地震作用下的地震响应特点。结果表明,竖向地震分量对桥墩顶纵桥向加速度、主梁分支处两桥墩横桥向相对位移和墩底纵桥向弯矩基本无影响,结构响应与输入地震波的频谱特性和结构形式有关;单向激励下,墩顶纵桥向加速度、分支处桥墩横桥向相对位移和墩底纵桥向弯矩响应都为最大;双向和三向激励都使墩顶纵桥向加速度响应降低,且降低幅度随着墩与直梁正向角度的增加而增加;主梁与分支直梁应设置的初始间隙应大于主梁与分支曲梁。     

近断层地震下大跨度铁路钢桁架拱桥减震技术研究EI北大核心CSCD

以我国某主跨400 m的铁路钢桁架拱桥为工程背景,采用低频速度脉冲叠加高频记录底波的方法合成近断层脉冲型地震动开展动力时程分析,研究了大跨度铁路钢桁架拱桥的响应特性及纵、横桥向减震技术。结果表明,近场脉冲型强震作用下,各构件的响应较未考虑脉冲效应时明显增大,交界墩墩底及横梁、引桥墩墩底等截面破坏严重,支座破坏严重,梁台存在碰撞风险。全桥布置摩擦摆支座可降低主拱应力,但无法有效控制桥墩弯矩响应,且会放大梁端位移;“摩擦摆支座+黏滞阻尼器”的纵桥向减震方案可使主拱应力、交界墩底弯矩、梁端位移分别下降28.53%,63.23%,22.52%,减震效果明显;横桥向增设防屈曲支撑可大幅减小桥墩横梁地震响应,交界墩下、中横梁弯矩降幅分别达58.89%, 62.48%。采用上述组合减震措施可提升桥梁的整体抗震性能,满足抗震设防要求,可供同类型桥梁的减震设计参考。     

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。     

考虑土-桥台-上部结构相互作用的曲线桥抗震性能研究

对国内外历次地震中桥台震害进行了梳理。介绍了简化桥台模型、弹簧桥台模型、弹性梁单元桥台模型等几种针对城市桥梁桥台的典型数值模拟方法;以某立交G匝道曲线梁桥梁为工程背景,建立考虑土-桥台-上部结构相互作用的不同精细化程度的数值模型,开展人工地震动条件下的非线性动力时程反应分析,对比分析不同数值模型的计算误差;在此基础上选取合理数值模型,对桥梁曲率半径进行变参数研究,探讨墩底内力、墩梁相对位移以及台梁相对位移的变化规律。研究发现:提高土-桥台-上部结构相互作用的模拟精细化程度可以更准确地反映桥梁边墩的地震响应,特别是弹性梁单元桥台模型可综合考虑桥台的动力响应,值得推荐;考虑土-桥台-上部结构相互作用条件下,曲率半径越小,各桥墩横向内力及位移差异越明显,建议在进行曲线桥梁抗震设计中应予以重视。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析

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。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁振动台阵试验研究

为了研究钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的抗震性能,以干海子大桥为原型,设计制作了几何缩尺比例1∶8的两跨钢管混凝土组合桁梁-格构墩试验模型,利用福州大学地震模拟振动台台阵系统,采用实桥的设计地震波,进行了该轻型桥梁的基本动力特性试验、抗震性能试验及破坏特性研究。结果表明,模型实测频率和位移与实桥满足相似比关系;在横向或纵向地震作用下,桥墩格构式区域加速度放大效应明显,减小了主梁混凝土顶板的加速度响应;相同强度下,横桥向地震作用桥墩应变大于纵桥向地震作用,同时可以不考虑纵、横向地震力共同作用。在设计地震动作用下,墩顶位移满足位移限值的规定;模型未出现开裂和破坏现象,表明钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁具有良好的抗震性能。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

考虑桩-土相互作用的不等高墩桥地震响应分析

基于LS-DYNA有限元软件的二次开发功能,引入p-y桩土动力相互作用模型和钢材的BONORA损伤本构模型。以某大桥四跨引桥为研究对象,建立了包括考虑土-结构相互作用的WINKLER地基梁模型、有效桩长模型、全桩长模型,以及不考虑土-结构相互作用的无桩模型等四种桩基础分析模型和上部结构弹塑性损伤分析模型;通过场地自由场求解,在桩侧节点上施加相应位置的加速度时程,对基于四种桩基础模型的该大桥进行了自振特性以及在小震、中震和大震下的位移、加速度、内力、损伤分析,并探讨了WINKLER地基梁模型不同深度下桩-土p-y模型的应力-应变关系和桩身变形特性。结果表明,桩基础数值分析模型对结构整体响应影响显著,不等高墩桥顺桥向与横桥向响应差距大,所开发的p-y模型可用于桥梁结构精细化数值分析。     

考虑桩径效应的桥梁结构地震风险分析

桩-土-结构相互作用是桥梁结构地震反应分析的重要问题,其中桩径效应不应忽略。以一座三跨连续梁桥为例,研究桩径效应对桥梁地震风险的影响。具体建立三种有限元模型:模型一是同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应;模型二是考虑桩-土-结构相互作用,但没有考虑桩径效应;模型三是墩底固结的简化模型。通过增量动力分析方法计算桥梁结构的地震易损性曲线和地震风险曲线,对三种模型的计算结果进行对比分析。结果表明,同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应的模型对应地震易损性与地震风险最高;墩底固结的模型对应地震易损性和地震风险最低。     

强震下不同站桥组合体系抗震性能对比研究

为系统对比不同站桥组合体系抗震性能的优劣，以某实际工程项目为背景，分别建立站桥合一结构与站桥分离结构的三维有限元非线性动力分析模型。在综合考虑墩柱非线性以及扩大基础、砂石垫层及地铁顶板之间非线性滑动摩擦效应基础上，深入探讨了两种结构形式在强震下的动力响应以及桥墩损伤规律。研究表明：在讨论范围内，两种站桥组合体系中桥墩下的地铁车站立柱动力响应均大于其他立柱；而相比站桥合一结构，站桥分离结构可以有效降低地铁车站立柱及桥梁结构中桥墩的弯矩与剪力响应，其墩梁相对位移更小，但存在一定残余位移；同时站桥分离结构中桥墩损伤程度更轻，出现塑性状态的时间更晚。整体而言，站桥分离结构的抗震性能更为优异，但在实际工程中需注意对墩梁相对位移及基础滑移的限位。     

钢管混凝土箱形叠合墩振动台试验研究

以腊八斤特大桥11号主墩为原型,进行几何缩尺比例为1∶9.43的钢管混凝土(CFST)箱形叠合墩模型振动台试验,并结合空间杆系非线性有限元分析,开展强震作用下CFST箱形叠合墩的地震响应特性和地震破坏机理研究。结果表明：E2设计地震动作用下,缩尺模型和原型桥墩墩底塑性铰截面大部分处于受压状态,墩身表面未发现裂缝,结构处于弹性工作状态;地震动特性对CFST箱形叠合墩的地震响应有显著影响,9条经典地震波(PGA=0.05 g)中,Wenchuan-NS地震波作用下墩顶加速度响应和位移响应均达到最大,分别为最小地震响应工况的1.8倍和5.4倍;随着Wenchuan-NS地震波强度按照0.05 g的增量逐级增大,墩顶加速度响应和墩顶位移响应基本呈线性增加,且加速度动力放大系数基本保持在6左右;采用基于纤维梁柱单元的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,进一步开展的非线性时程分析可知,PGA=0.30 g时墩底潜在塑性铰区域外包混凝土受拉侧发生开裂,在PGA=0.75 g时受拉侧钢管开始屈服;与单向地震作用相比,双向地震作用下墩顶位移响应峰值增大约6%,墩底截面最大内力响应增大约4%,说明双向地震同时作用对CFST箱形叠合墩地震响应的影响较小,在进行CFST箱形叠合墩的地震反应分析时,可沿顺桥向和横桥向分别输入水平地震动。     

X形弹塑性钢挡块对简支梁桥横向地震反应影响

为研究X形弹塑性钢挡块对桥墩横向地震响应影响,以简支梁桥为背景建立有限元模型。采用非线性时程方法分析弹塑性钢挡块屈服强度、桥墩高度、板式橡胶支座临界滑动力对桥墩地震响应影响。研究表明:与横桥向不采用任何约束相比,弹塑性钢挡块可有效减小墩梁间相对位移;与横桥向采用刚度及强度较大混凝土挡块相比,弹塑性钢挡块可有效减小桥墩剪力及弯矩。桥墩地震反应受弹塑性挡块屈服强度、墩高及板式橡胶支座临界滑动力影响较大。     

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。     

带剪切连梁双柱式桥墩地震响应特性振动台试验研究

为了研究剪切连梁对双柱式桥墩地震响应的影响,该文将双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩置于全桥模型中开展振动台试验研究,其中带剪切连梁双柱式桥墩沿墩等间距附有5根剪切连梁。因此设计了一座几何相似比为1/70且包含桥墩(含双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩)、主塔、主梁、群桩和模型土等在内的斜拉桥试验模型并开展振动台试验,比较研究人工波、El Centro波和Mexico City波等不同频谱特性地震作用下双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的地震响应特性。试验结果表明:与双柱式桥墩结果相比,在人工波、El Centro波和Mexico City波作用下,带剪切连梁双柱式桥墩的墩底最大应变明显减小,表明附加的剪切连梁可有效降低墩柱的弯矩应变响应,实现了剪切连梁起分散墩柱受力的作用;与振动台输出最大加速度相比,三条地震波作用下带剪切连梁双柱式桥墩的墩底加速度放大1.4倍~1.8倍,表明桩-土-结构相互作用对纵向加速度产生不利影响,具有明显放大效应;地震输入的频谱特性明显影响双柱式桥墩和带剪切连梁双柱式桥墩的加速度、位移和应变等地震响应,且其影响程度取决于地震输入卓越频谱与结构频率特性之间的相关关系。     

立交匝道桥地震响应及合理抗震体系研究

以上海嘉闵高架桥为依托,分析了不同曲率半径、地震输入方向对立交匝道桥地震响应的影响,指出小曲率半径下的匝道桥地震响应较为复杂,地震最不利输入方向与墩柱切线、法线方向仍存在20°~30°的偏差,墩底弯矩偏低约10%~20%,大曲率半径下则可简化为直线桥。基于新规范体系,评估了立交匝道桥在两级地震作用下的性能,指出匝道桥较容易满足E1地震下的强度要求,在E2地震下,顺桥向固定墩以及横桥向高墩均会进入屈服,其中矮墩固定墩较容易发生剪切破坏。对直线匝道桥分别采用延性抗震体系与减、隔震体系进行设计,并评估其适用性,指出单独采用任何一种抗震体系都难以满足结构性能要求,建议高墩区采用延性抗震体系,矮墩区采用减隔震体系。     

山区桥梁排架抗震能力评价方法

排架在山区桥梁工程中应用广泛,其横桥向地震破坏机理复杂且缺乏工程实用的抗震分析手段。通过拟静力和动力时程分析给出了山区桥梁排架抗震能力评估的一般性方法,借助纤维梁柱单元并结合截面抗剪强度模型,首先基于静力分析手段确定了排架桥墩可能的破坏模式及排架变形能力。在此基础上通过动力时程分析,揭示不同地震动强度下排架的破坏模式和变形能力。以某山区桥梁2个排架墩为例,将建立的评价方法对排架横桥向抗震能力进行评价。结果表明:横桥向在地震作用下,排架桥墩承受显著的变轴力作用,桥墩屈服前,随侧向位移增大,桥墩轴压变化范围逐渐增大,桥墩屈服后轴压变化范围基本稳定;且变轴力易引起排架桥墩发生剪切破坏。该方法可为桥梁排架结构抗震设计和评估提供参考手段。     

土-结构相互作用下网架结构动力性能研究

采用整体有限元法分析土-结构动力相互作用(SSDI)下网架的动力性能。以大型有限元软件ABAQUS为平台,结合FORTRAN程序实现粘弹性动力人工边界精确施加、土体自重应力平衡及粘弹性边界条件下地震动输入,并通过算例验证有限元计算过程的有效性与合理性;建立地基土-支承体系-网架屋盖相互作用的三维整体模型,分析SSDI对网架结构动力性能影响。研究表明,SSDI使网架结构自振周期较刚性地基下延长且地基土越软周期越长,网架结构自振频率随地基土变软更密集;SSDI使基础底面峰值加速度较自由场地表峰值加速度增大5%~30%,且地基土越软增大幅度越大;SSDI效应可增大网架结构节点加速度及节点水平相对位移,且使网架结构节点水平相对位移随地基土的变软逐渐增大。     

近、远场地震下深水桥墩动力响应特性对比研究

以某典型铁路深水桥梁等效单墩模型为对象,采用基于流固耦合理论的势流体计算方法,首次对近、远场地震作用下等效单墩结构振动特性及动力响应进行对比分析。结果表明,动水环境的存在会改变桥墩振动特性,随水深增加桥墩自振周期不断增大,30 m水深时第一阶周期增长率达10.4%。墩周动水压力呈抛物线型分布,近场地震下大于远场地震,二者差别随水深增加而增大。近、远场地震下桥墩结构的动力响应存在明显差别,较无水环境,近场地震下墩顶位移、墩底弯矩及剪力峰值分别增大34.5%、37.8%及51.3%;远场地震下三项指标分别增大17.0%、21.8%及40.0%,具有明显速度脉冲的近场地震下结构动力响应显著大于远场地震。具有速度脉冲的近场地震破坏能力更强,在近断层区深水桥梁抗震设计中应特别重视。