地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析

摘要: 为了研究地震作用下高速列车与桥梁耦合振动特性,通过分析JR300系列轮轨高速列车与高架桥在地震作用下的耦合振动,对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行比较研究。结果表明：轨道竖向不平顺会加大车体振动竖向加速度,在地震作用下,车体加速度会接近或超过规定限值;桥梁在地震与列车作用下,考虑轨道的竖向不平顺对桥梁的竖向响应影响较小;不同地震波激励对车桥振动响应影响有较大不同。     

行波效应对大跨越输电塔－线体系纵向地震响应影响

由于特高压大跨越输电塔－线体系塔身高跨度大,仅考虑单塔及塔－线体系的一致地震输入是远远不够的。本文考虑地震波沿大跨越线路传播时引起的地震行波效应,建立了特高压大跨越输电塔-线体系精细的三维空间有限元模型,运用几何非线性动力时程分析方法研究了纵向地震作用下大跨越输电塔－线体系的地震响应特性,并和一致地震动输入下的反应进行了对比。结果表明：行波效应既可以增加又可以减小塔身的地震响应,主要与地震动作用于大跨越两端输电塔的相位差有关;行波效应对导线跨中竖向位移响应影响十分明显,但对导线内力响应影响很小     

近断层地震方向脉冲效应对高速铁路桥梁弹塑性反应的影响

基于PEER-NAG强震数据库,采用ANSYS分析软件、ANSYS-APDL语言和弯矩曲率关系计算程序,以高速铁路多跨简支梁桥为研究对象,建立了近断层脉冲型地震作用下的高速铁路桥梁全桥模型,考虑了轨道不平顺的影响,分析了结构的自振特性,计算了近/远断层地震作用下桥梁的弹塑性地震响应。计算结果表明,近断层方向脉冲型地震作用下的墩底的荷载-变形曲线呈现中间加强的特点,此时需要桥墩有更强的能量释放能力和较好的延性要求,相比远断层地震而言,近断层方向脉冲型地震作用下墩底梁体位移、墩顶位移以及墩底弯矩增大,且导致更大的塑形变形;远断层地震趋向于能量的逐渐释放过程并与较少的滞回环损伤疲劳相联系;由于近断层地震动方向脉冲效应的影响,在一些地震动的某些时段内,对结构破坏起控制作用的因素是速度或位移而不是峰值加速度;由于近断层地震较大的竖向地震动,导致梁体竖向挠度比远断层地震增加较多,《铁路工程抗震设计规范》等取竖向地震为横向的2/3左右,会导致竖向动力响应偏小,建议取竖向地震动的合理范围进行计算较为妥当。     

钢筋混凝土结构爆破地震响应频谱及幅值变化规律分析

为探讨钢筋混凝土建筑结构的爆破地震效应特性,通过在隧道爆破开挖过程中下穿的多层钢筋混凝土建筑沿高度方向上布设测点,采集了大量的钢筋混凝土建筑的爆破地震响应信号。采用小波分析和快速傅立叶变换相结合的方法,研究各方向爆破地震波作用下钢筋混凝土建筑沿高度方向的结构响应频谱、能量分布特性及幅值变化规律。研究结果表明,爆破地震波作用下钢筋混凝土结构建筑物各层质点的速度响应信号频率较大且占有较大能量比例的优势频带较宽,集中在15Hz~600Hz;钢筋混凝土结构在垂向方向的速度响应信号频率要低于水平方向,在垂直方向的速度响应峰值高于水平方向,且比值一般随着楼层的升高有增大的趋势;垂向和水平方向的信号频谱特征和峰值速度响应随楼层变化无明显变化规律可循。     

错位转换高层建筑结构竖向地震作用下的抗震性能研究

关于错位转换高层建筑结构在竖向地震作用下的动力特性和受力特性的研究目前还鲜有文献,本文采用Sap2000V9有限元程序对一实际带错位转换高层结构竖向动力特性和动力反应进行了分析研究。研究了竖向振型数对上、下部转换梁内力和主要竖向受力构件轴力的影响;用反应谱法和时程分析法计算了竖向加速度、竖向层间位移及竖向动应变,分析了上部、下部转换梁梁端点及梁托柱点所在位置节点动力反应随楼层变化情况,并将转换梁端点的反应和梁托柱的反应进行了对比分析研究。还计算了上、下部转换层梁托柱、承托墙肢、框支剪力墙、框支柱等的轴力,并将其与重力荷载代表值下轴力比值进行了对比研究。研究分析表明,竖向基本振型对构件内力起主要作用,竖向第5阶以上振型对转换梁和各竖向主要构件轴力影响很小;梁托柱点竖向位移、竖向加速度远大于其梁端点的反应;上、下部转换梁端点处竖向构件竖向应变在转换层上一层发生突变;同时会使两错位转换层之间楼层竖向构件竖向应变局部增大;楼层越高,其相应竖向构件的反应谱法与重力荷载代表值、时程均值与重力荷载代表值内力比值就越大;竖向地震作用下承托墙肢顶部一层和框支剪力墙底部三层轴力会发生突变。     

微幅晃动下考虑地基效应的矩形贮液结构动力响应研究

一般情况下矩形贮液结构通过底板直接坐落在地基上,有必要在考虑地基效应的基础上研究其动力特;定义微幅晃动波高限值,并建立矩形贮液结构的简化模型。采用人工边界模拟地基效应,建立了有限元计算模型,对比两类模型对应的晃动波高以验证简化模型的合理性,基于势流理论在微幅晃动范围内研究在不同边界条件、不同地震波和不同地震加速度幅值下矩形贮液结构的动力响应。结果表明,两类模型得到的晃动波高趋势一致,且最大晃动波高相差较小。在微幅晃动范围,液体最大晃动波高和地震加速度幅值成线性关系,考虑土-结构相互作用后,壁板水平位移、壁板有效应力和液体晃动压力有较大程度的的减小,而地基效应对液体晃动波高影响很小。     

多维地震激励下人字形桥梁地震模拟振动台试验研究

为研究人字形桥梁在地震作用下的动力响应,以某人字形桥梁为原型,制作了一座相似比为1/20的模型桥梁,采用El-centro波对其进行了不同地震烈度的多维激励地震模拟振动台试验和有限元分析。研究结果表明：随着地震烈度的增加,模型结构自振频率降低阻尼比增大;桥墩墩顶顺桥向加速度响应基本不受竖向地震分量影响;计算桥墩墩底应变响应时进行水平双向地震激励即可满足要求;梁体跨中竖向加速度响应,主梁和分支梁间的伸缩缝宽度取值,伸缩缝处的碰撞响应等均与地震波输入维度有关。因此,对于人字形桥梁在进行抗震设计时应针对不同的设计目的对其进行选择性的多维地震激励。     

某深水大跨桥梁水下振动台试验研究

深水大跨桥梁若发生地震,将会造成严重的破坏;桥梁横桥向抗震研究已经取得一定进展,对纵桥向抗震研究较少。以某深水大跨桥梁结构为原型,根据弹性相似准则,以规范波、El-Centro波和汶川地震波为输入地震动,进行大比尺全桥结构纵桥向水下振动台试验,分析了桥梁加速度动力放大系数、峰值加速度、峰值应变及峰值动水压力的变化情况,研究了桥梁结构在不同地震波、不同水位、不同峰值加速度作用下的动力响应规律。结果表明：全桥结构的基频规律与单一桥墩的不同,正常水位和半水水位比无水环境下的一阶频率分别增加0.11%和0.06%,而二阶频率分别减小0.07%和0.03%;地震作用下,水的存在会影响结构的动力响应,桥梁结构的动力响应与输入的地震频谱特性和水位高低有关,动水压力在桥梁最低端最大,且动水压力影响桥梁结构的应变。     

竖向地震作用下桥梁结构的瞬态波响应分析

竖向地震引起的剧烈地面运动可能导致桥梁结构的损坏。针对竖向地震作用下双跨连续梁桥的瞬态动力学问题,考虑波动效应,应用瞬态波特征函数法求解了地震过程中桥梁结构的瞬态波响应理论解。通过实例分析,描述了桥墩中轴向波和桥跨结构中弯曲波的传播、反射、相互作用和波碰撞等现象。计算结果表明,不同的竖向地震动与水平地震动的比值会引起桥梁响应特征的明显改变。随着比值的增大,桥梁响应特征的改变主要表现为：（1）接触力的变化幅度增大,出现更大的接触力,加剧支座的损坏可能性;（2）出现了更低的接触力,甚至零接触力,大大增加了桥跨结构与桥墩相对滑动的可能性;（3）使原本整体处于受压状态的桥墩中出现了拉应力,拉应力有可能超过混凝土的抗拉强度,并使桥墩出现了拉-压交变应力,使得桥墩底部处于恶劣的应力状态;（4）桥跨中部向上的最大动挠度超过了两端,也就是桥跨结构被抛起的可能性增大。     

边界条件设置及输入地震波特性对边坡动力响应影响分析

对有限计算域边界处理是边坡动力有限元计算的重要问题之一,本文利用有限元弹塑性动力分析方法,把边坡动力响应分析中边界条件设置概括为5种情况,输入3条实测地震波,研究边界条件设置和地震波特性对边坡位移响应、加速度响应以及频谱的影响。研究表明设置不同的边界条件及输入不同地震波,边坡动力响应结果有显著差异。研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的响应特性,为边坡的动力破坏机理研究和提高边坡稳定性分析评价的可靠性奠定基础。     

地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。     

某复杂山体的三维风场特征研究

为获得某复杂山体的三维风场特征,采用基于眼镜蛇测量仪的风洞试验方法进行研究。分析各风向角下水平风加速比和竖向风速占比的分布特征,将典型风向的水平风加速比与各国规范进行比较,最终提出复杂山体三维风场的设计建议。研究表明:山顶在各风向角下均存在显著的水平风加速效应;山腰和山脚在侧风风向存在较显著的水平风加速效应;风洞试验结果与美国规范非常接近,中国规范偏保守;最大竖直向风速发生在山腰位置,其中向上竖向风速发生在迎风方向,向下的竖向风速发生在背风方向;规范中的水平风速只针对迎风情况,并不能考虑全风向尤其是侧风向的来流;建议对重要的山体构筑物采用风洞试验方法获得其三维风场。     

考虑橡胶支座作用的桥梁多次竖向碰撞力的计算

考虑桥梁橡胶支座的作用,建立了双跨连续梁桥的梁-弹簧-杆模型,采用瞬态波函数展开法和组合体瞬态内力法,提出了在先期到达的竖向地震激励作用下,桥梁结构竖向碰撞力的理论求解方法,计算结果表明本文方法可以合理地求解桥面与橡胶支座的多次竖向碰撞力。通过对不同竖向地震反应谱、不同桥梁跨度和不同竖向地震激励幅值下的碰撞次数和碰撞力的计算和分析表明,在浅源近场竖向地震作用下,桥梁可能出现竖向碰撞现象,桥面与橡胶支座的竖向碰撞力的幅值大,对桥梁具有相当大的危害。研究表明,竖向碰撞现象的出现很有可能存在两个条件,即竖向地震激励周期逼近于桥梁整体结构的固有振动周期,以及竖向地震激励幅值超到某个确定的阀值。另外,计算结果还表明,竖向碰撞力随竖向地震激励周期、幅值和桥跨长度的变化,呈现出复杂的非线性效应。     

Nonlinear dynamics of offshore structures under sea wave and earthquake forces

A study of dynamic response of offshore structures in random seas to inputs of earthquake ground motions is presented. Emphasis is placed on the evaluation of nonlinear hydrodynamic damping effects due to sea waves for the earthquake response. The structure is discretized using the finite element method. Sea waves are represented by Bretschneider’s power spectrum and the Morison equation defines the wave forcing function. Tajimi-Kanai’s power spectrum is used for the horizontal ground acceleration due to earthquakes. The governing equations of motion are obtained by the substructure method. Response analysis is carried out using the frequency-domain random-vibration approach. It is found that the hydrodynamic damping forces are higher in random seas than in still water and sea waves generally reduce the seismic response of offshore structures. Studies on the first passage probabilities of response indicate that small sea waves enhance the reliability of offshore structures against earthquakes forces.     

Hydrodynamic pressure on an accelerating dam and criteria for cavitation

Summary The effect of finite reservoir on the hydrodynamic pressure due to horizontal as well as vertical ground excitations has been studied. It is found that for horizontal accelerations the hydrodynamic pressure force decreases as the size of the reservoir decreases. The effect of vertical acceleration on the pressure force on a dam is simply to adjust the hydrostatic pressure by replacing the gravitational constant by an effective gravitational acceleration and this is true for any arbitrary shapes of the reservoir. A simple criterion has been presented in this paper which would enable dam engineers to determine whether a given earthquake could cause cavitation at the dam-water interface or not.     

Hydrodynamic pressure on a dam with a periodically corrugated reservoir bed

Summary The problem of determining the hydrodynamic pressure, caused by earthquake forces, on a dam with a vertical upstream face and a periodically corrugated reservoir bed is solved approximately by employing a Fourier cosine transform technique to the linearised equations of inviscid and incompressible flow. A particular case of the present problem giving rise to results valid for dams with flat reservoir beds is shown to produce known results as a check of the method used.With 1 Figure     

磨擦摆系统振动性态的进一步分析

基于摩擦摆（FPS）及其隔震剪切型结构的非线性振动微分方程,进一步研究了该系统的振动性状。利用平均法得到了FPS自治振动的一阶近似解。计算分析了FPS系统在简谐激励作用下的稳定性及恢复力特性。一个FPS隔震多层剪切型结构对三种水平地震作用响应的计算结果表明,尽管会引起结构的竖向附加振动,FPS仍具有良好的限位水平能力和隔离水平地震作用的效应。     

基于Timoshenko梁理论的深水油气井套管柱地震响应分析

海洋表层软土对深水油气井套管柱井身结构的稳定性有着重要影响,尤其地震发生时,会在软硬土层交界面处管柱截面产生很大的弯矩和剪力。依据桩基的动力响应理论,引入回传射线矩阵法,建立了适于深水油气井套管柱的地震响应分析模型。模型中将组合套管柱等效为变截面Timoshenko梁,分别从表层软土的剪切波速和厚度分析,探讨了套管柱在软硬土层交界面处弯矩和剪力幅值的变化规律,从而为海洋工程中套管柱的施工、设计和安全性评估提供一定的参考和指导作用。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。