高墩大跨连续梁桥内力位移双控减隔震体系的有效性初探

为解决高墩大跨连续梁桥减隔震设计中存在墩底内力与梁端位移矛盾的问题,基于撑架连续梁结构特点和耗能减震思想提出了一种摩擦摆支座和撑架相结合的墩底内力、梁端位移双控的减隔震体系。推导了撑架结构等效阻尼比的计算公式,对比研究了4种减隔震方案的地震响应,验证了摩擦摆和撑架组合使用的优越性,并对撑架结构进行了参数分析,还分析了附加撑架结构在静力方面的优势。结果表明：在撑架等效阻尼比为9%时,静力方面连续梁支点负弯矩减小27%;动力方面墩底弯矩最大减震率为79%,墩底剪力最大减震率为83%,梁端位移最大减震率为50%。说明摩擦摆支座和撑架的组合使用,可实现墩底截面内力和梁端位移的有效控制,降低大跨连续梁的静力和动力响应。     

脉冲型地震作用下独塔自锚式悬索桥碰撞响应试验研究

为了研究脉冲型地震作用下考虑碰撞效应时自锚式悬索桥的地震响应,以某独塔自锚式悬索桥为原型,设计制作了缩尺比为1∶20的试验模型,并选取三条具有不同脉冲周期的近断层脉冲型地震波,利用多子台地震模拟振动台台阵系统,进行了一致激励及行波激励下的对比试验。结果表明:一致激励下梁端碰撞效应会显著增加边墩墩底变形,但会不同程度降低支座的位移响应,且碰撞效应随碰撞间隙的增加先增强后减弱;行波激励会加剧梁端碰撞作用,使碰撞效应对边墩墩底变形和主塔塔底变形的放大作用更显著;脉冲型地震动的脉冲周期与悬索桥基本周期越接近,碰撞效应越强,对边墩墩底变形及主塔塔底变形的放大效应越显著,但对支座位移降低程度的影响不明显;因此,对自锚式悬索桥进行抗震或减震设计时应当考虑碰撞效应、行波效应及地震动脉冲特性的影响。研究成果可为桥梁结构的碰撞响应研究提供参考。     

基于BRB的铁路双柱式超高墩连续梁桥横向减震研究EI北大核心CSCD

为提升双柱式超高墩桥梁的横向抗震性能,可将屈曲约束支撑(buckling restrained brace,BRB)用于双肢墩身。通过某铁路超高墩大跨连续钢桁梁桥非线性时程分析,研究了罕遇(PGA=0.227g)和极罕遇(PGA=0.640g)地震下BRB的参数影响规律、作用机理及减震效果,探讨了高阶振型对BRB墩身地震响应的影响。结果表明:BRB能够改变墩身传力路径,在一定参数范围内可将原有墩身部分弯矩转化为支撑点的轴力和剪力;罕遇地震下BRB未充分发挥耗能作用,地震响应随芯材面积A;增加而不断接近X撑方案;极罕遇地震下设置BRB可明显减小墩顶位移和墩身轴力响应;BRB会适当增加墩身弯矩响应,但截面PM滞回并未超过等效屈服包络;由于高阶振型效应,BRB墩身中部的剪力、弯矩响应包络图凹凸交替变化;随着墩高的降低,高阶振型的影响减弱,墩身剪力、弯矩包络图近似双折线;采用BRB可有效抑制超高墩的高阶振型,同时提升极罕遇地震下桥墩的耗能能力、增强横桥向抗震性能。     

近断层地震作用下曲线桥碰撞效应及影响试验研究

为明晰近断层地震动作用下曲线梁桥碰撞效应及其影响,以某小半径带坡匝道桥为对象,设计制作1/10缩尺模型及可调式碰撞测试装置,选取同次地震中近断层和远场地震动输入,完成了单向和双向激励条件下试验模型桥的振动台试验。结果表明:与远场地震动相比,近断层地震动作用下曲线梁桥的碰撞效应(碰撞次数和碰撞力)有较为显著的增加,而碰撞效应的增大会增大支座的位移响应,进而增加支座失效或落梁风险,且双向地震动影响更大;碰撞对边墩和中墩沿碰撞力方向的切向位移峰值增加显著,对碰撞力方向上试验模型桥的墩顶有效均方根位移响应均有放大作用,碰撞会增加试验模型桥桥墩的破坏风险。曲线桥抗震设计中应考虑近断层地震动诱发的碰撞效应影响。     

基于JC法的近场地震作用下钢筋混凝土高墩塑性铰形成概率分析

为研究近场地震动作用下钢筋混凝土(RC)高墩塑性铰形成概率。以高度为90 m的某RC高墩为研究对象,首先采用支持向量机算法预测截面等效屈服曲率;然后考虑墩身参数和近场地震动的随机性,采用OpenSees建立高墩模型,并进行增量动力非线性分析;最后以等效屈服曲率为临界指标,采用JC法对截面动力响应当量正态化后,计算分析截面塑性铰形成概率。研究结果表明:RC高墩截面顺桥向和横桥向等效屈服曲率均具有明显的离散性且服从正态分布;顺桥向近场地震作用下,墩底和墩身中部区域塑性铰形成概率均较大并形成塑性铰,且墩身中部塑性铰长度达31.7 m,比只考虑地震动随机性确定的塑性铰区域长度大84.3%,而横桥向仅墩底区域塑性铰形成概率较大且与只考虑地震动随机性确定的塑性铰区域长度基本一致。塑性铰形成概率分析法,可以更加准确地对RC高墩的塑性铰形成和分布做出评估。     

铁路自复位高墩的高阶模态贡献研究

针对高阶模态对自复位桥墩的影响,以某铁路58m高墩为例,基于OpenSEES建立自复位高墩地震反应模型。输入近场地震动强震记录,通过增量动力分析得出了墩身塑性铰的形成及发展规律。基于模态分解法讨论了前3阶模态对墩身弯矩和墩顶位移的影响,引入一种定量指标评价了各阶模态反应的贡献。结果表明:在近场地震作用下,自复位高墩墩底提离后只会减小第1阶模态响应对墩身的作用,使墩底不出现塑性铰;受高阶模态地震响应的影响,墩身中部仍会出现塑性铰区,墩底提离不能消除高阶模态的作用。     

远场长周期地震下层间隔震结构的非线性减震分析

远场长周期地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,部分地震动后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动;其可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能带来不利影响,需深入探讨。首先讨论远场长周期地震动的运动特征。然后以8条远场长周期地震与3条普通地震记录作为地震动输入,对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行了非线性地震反应分析。探讨地震波中的长周期成份,尤其类谐和成份对隔震结构减震性能的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案;分析其对隔震层的限位保护效果与对隔震结构的非线性减震效果。结果表明:远场长周期地震作用下层间隔震结构的减震效果相比普通地震作用下的减震效果变差。特别在远场类谐和罕遇地震作用下,层间隔震结构的非线性响应相比抗震结构几乎无减小,甚至显著放大;隔震支座最大位移远超越其允许位移。组合隔震能较有效地控制远场长周期地震、特别是远场类谐和地震作用下隔震结构的非线性反应,尤其可显著减小隔震支座的最大位移,防止隔震支座破坏。     

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。     

超大跨斜拉桥多点振动台试验研究

以一座试设计主跨1400 m斜拉桥为工程背景,进行了多点振动台阵试验。试验采用包括桩基础的1：70缩尺模型,通过层状剪切土箱模拟场地土的作用,台阵包括4个振动台,可模拟非一致地震输入。研究了半漂浮体系、弹性约束体系和辅助墩体系等不同结构体系对斜拉桥纵向地震响应的影响;进而针对辅助墩体系,研究了上塔柱区段附加耗能构件对斜拉桥横向地震响应的影响;最后通过破坏性试验研究了斜拉桥的横向破坏模式及其灾变过程。结果表明：弹性拉索体系和辅助墩体系可有效减小主塔和塔-梁的纵向相对位移;附加的耗能构件对塔顶横向相对位移的减小效果有限,但可有效降低主塔应变响应,起分散主塔受力和附加耗能作用;主塔的横向破坏模式具有明显的双塑性铰模式。     

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。     

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁非线性地震响应分析

以干海子大桥第二联为原型,建立基于纤维单元的三维有限元简化模型,分析该钢管混凝土组合桁 梁-格构墩轻型桥梁在地震作用下的响应特性,讨论进入非线性后桥墩屈服顺序和内力重分布效应。通过与精细有限元模型、实桥测试、振动台试验比较验证了该文建立的简化单梁计算模型的正确性。以桥墩柱肢钢管边缘应变为判断标准,确定了水平最不利地震动输入方向为两端支座连线的法线方向,同时需要考虑竖向地震动的影响。通过地震响应分析表明,在设计地震动下桥梁处于弹性状态;进入塑性后,格构墩和复合墩以面内受力为主,轴力增幅小于地震动增幅,墩顶位移增幅大于地震动增幅;复合高墩面内弯矩增幅大于矮墩,有利于全桥的抗震。     

连续梁桥锁死销减震机理及影响参数研究

连续梁桥为满足温度荷载引起的变形需求,一般只设一个固定墩,这致使在地震作用下上部结构的纵向地震荷载只由固定墩承担,这极易引起固定墩和伸缩缝破坏,甚至造成引桥落梁。针对这一问题,提出利用滑动墩的抗震潜能,协同固定墩共同承受地震作用的思想,研发了一种以地震动加速度激活的锁死销装置,通过在墩梁间设置锁死销实现在地震时限制滑动墩和梁体的相对位移,使滑动墩和固定墩协同受力,减小结构的整体地震响应,并以具体工程为例,分析了锁死销的减震原理及其参数对减震效果的影响。研究表明,在滑动墩上设置锁死销可以有效地减小固定墩和梁体的纵向地震响应,明显提高连续梁桥的整体抗震性能;其减震效果受锁死销加速度激活阀值和锁死间隙等参数影响较大。     

高铁简支梁桥横向地震碰撞效应振动台试验研究

地震作用下,当桥梁上、下部结构间的横向相对位移超过挡块-梁体或挡块-垫石间的初始间隙时,就会发生碰撞。为研究高铁简支梁桥在地震激励下的横向碰撞效应,以32 m标准跨径简支梁桥为研究对象,按1∶6缩尺比设计并制作了单跨桥梁模型。通过振动台试验研究了地震波频谱特性、地震动峰值加速度(PGA)、挡块-垫石初始间隙等因素对横向地震碰撞效应的影响,并探讨了在挡块与垫石间填充橡胶缓冲垫层的防碰减震效果及橡胶垫层的减震机理。试验结果表明:振动台试验再现了桥梁结构横向地震碰撞过程,在多遇地震作用下,固定支座未发生破坏,挡块与垫石之间没有出现碰撞现象;而在设计地震和罕遇地震激励下,固定支座出现破坏,多数工况发生了碰撞。挡块与垫石之间的碰撞限制了墩梁间横向相对位移的发展,但碰撞会激起结构的高频响应,增大墩底弯矩响应;橡胶缓冲垫层的设置会减小挡块与垫石间的碰撞刚度,降低由地震碰撞所引起的高频响应,从而达到减震的效果。     

近断层地震下小半径曲线桥碰撞响应的振动台试验研究

为揭示小半径曲线桥相邻联碰撞导致的地震破坏机理,以某两联多跨小半径曲线桥为工程背景,开展振动台试验研究。分析在不同地震动下相邻联周期比变化对曲线桥梁端位移、墩梁相对位移、碰撞力等的影响规律;在近断层地震下,分析受独柱墩横桥向偏心效应影响时,邻梁碰撞对结构动力响应的变化规律。试验研究表明:近断层脉冲地震下,随着周期比的增大邻梁碰撞效应先增加后减小,在近断层非脉冲地震动及远场地震动下,随邻梁周期比减小地震碰撞响应逐渐增大;独柱墩在梁底的横向偏心会加剧地震作用下主梁运动形式的变化,导致扭转加大,横向位移明显,更易发生非均匀碰撞,加剧主梁的局部损坏。该文研究成果可为考虑碰撞的曲线桥抗震设计提供科学依据。     

控制自复位高墩高阶效应的双摇摆界面法

为控制只在墩底设置1个摇摆界面的自复位高墩(结构1)的高阶模态地震响应,研究了分别在1/2墩高截面(结构2)和墩身弯矩最大截面(结构3)设置第2个摇摆界面的双摇摆界面法的控制效果。以3种强度条件下的7条地震动作为输入,利用时程分析获得了3种结构的墩身最大弯矩、最大剪力及墩顶最大水平位移。通过对比分析发现:结构2不能有效控制高阶模态效应,而结构3能有效控制高阶模态效应。随地震动及其强度的不同,与结构1相比,结构3能使墩身最大弯矩及最大剪力分别减小20%~46%和19%~65%,但结构3会增大墩顶最大水平位移,需采用有效手段加以控制。     

大跨连续刚构桥双肢薄壁墩抗震性能研究

为获得双肢薄壁墩在地震作用下的破坏形态与力学性能,采用低周反复荷载试验探讨了不同轴压比、主筋率及体积配箍率对该类型桥墩抗震性能的影响,得到了各试验墩的破坏特性、滞回曲线、位移延性与耗能性能。试验结果表明:各试验墩的破坏形态基本相似,大体可分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、弯曲破坏阶段。试验墩在墩底及系梁处破坏严重,其中墩底与墩顶出现显著的弯曲破坏,系梁处出现“X形”裂缝。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,适当提高轴压比可显著提高该桥墩的延性性能。各试验墩的变形能力较好,位移延性在2.63~3.68,变化幅度较大,主筋率对延性影响显著。     

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。     

斜拉桥横向减震振动台试验

为了研究弹塑性阻尼器对斜拉桥横向地震反应的减震效果,以一座独塔斜拉桥为研究对象,设计了1∶20大比例缩尺的全桥振动台模型,采用一条远场波和一条近场波作为地震输入,对该模型进行了全桥横向振动台试验。试验结果表明,与塔梁、墩梁横向固定连接相比,塔梁、墩梁横向采用弹塑性阻尼器连接能有效减小桥塔横向地震响应,如在远场和近场地震输入下,塔底截面钢筋应变分别最大减小了40%和10%;但在近场地震输入下,弹塑性阻尼器变形约为远场地震输入时的3.6~4.6倍,加载完成后产生明显的残余变形。通过对比数值和试验结果可知,数值结果与试验结果较接近、吻合较好。     

近、远场强震下深水桥梁群桩基础的非线性响应及损伤特性

以某大型深水桥梁的群桩基础为对象,建立考虑动水效应和桩-土相互作用的非线性计算模型,以近、远场强震记录为输入,分析了不同水深下群桩基础的动力响应及损伤特性。可发现,近场地震下群桩基础的动力响应均大于远场,弯矩、剪力、位移的最大增幅分别出现在冲刷线以下不同深度处,轴力的最大增幅则出现在桩顶处,弯矩、剪力、位移和轴力的最大增幅分别为150.6%、227.2%、333.4%和64.2%。近场地震下,墩底、桩顶是主要易损部位,当PGA=0.38g和0.6g时,桩顶损伤指数分别为0.19和0.40,损伤水平及范围随地震动强度增加而增大,随水深增加而略有增大;远场地震下,群桩基础主要处于弹性状态。由于桩周土的约束作用,一定深度的土层交界处也可能出现桩基损伤,且损伤程度会随地震动强度的增加而增大,并向两端扩散。对比表明,近场地震下深水群桩基础的动力响应及损伤均明显大于远场,表明脉冲型近断层地震动具有更高的变形和耗能需求,应在深水桥梁的抗震设计尤其是基础延性设计中予以重视。     

墩身惯性力对墩底地震剪力的影响及计算方法EI北大核心CSCD

为探究考虑墩身地震惯性力贡献的墩底剪力简化计算方法,以某铁路简支梁桥为研究对象建立三维有限元模型,在分析了墩身质量对结构动力特性影响基础上,通过非线性时程分析方法研究了不同墩高、场地类型以及地震动峰值加速度(PGA)下墩身惯性力在桥墩地震剪力中的贡献比例,给出墩身惯性力在计算墩底地震剪力时不可忽略的判别条件;并采用模态Pushover分析法对墩底剪力进行简化计算,对结果的准确性加以验证。结果表明:桥墩进入塑性后,墩身惯性力对墩底剪力的贡献比例受场地类别影响小,主要影响因素为墩高,当墩高小于20 m时,可不考虑墩身惯性力作用,而采用能力保护设计理念计算墩底剪力;但当墩高大于20 m后,不应忽略桥墩自身的惯性力贡献,可按所提出的一阶模态Pushover方法简化计算墩底剪力。