地震作用下曲线梁桥非均匀碰撞效应研究

曲线梁桥在地震作用下产生的不规则平面旋转位移使得应用碰撞单元法计算曲线梁体碰撞效应存在一定的局限性,为了探讨曲线梁桥地震碰撞效应的非均匀分布规律,提出了采用显式动力接触算法计算曲线梁桥地震碰撞效应的数值模拟方法,并分析曲线连续梁桥碰撞效应引起的主梁、挡块和桥墩的冲击地震反应特点。结果表明,主梁与桥台胸墙的碰撞作用限制了主梁的切向位移,使得固定墩墩底弯矩小于不考虑碰撞时的墩底弯矩。碰撞后梁端截面顶板正应力和曲线内外侧挡块径向应力的分布严重不均匀,梁端截面悬臂翼缘的正应力明显小于腹板间顶板的正应力,曲线外侧挡块的径向应力显著大于内侧挡块的径向应力。地震碰撞作用使得主梁的最大拉应力和压应力通常会发生在梁体曲线的内外侧。这为合理解释曲线连续梁桥在强震下的碰撞破坏震害现象提供了理论指导。     

斜交简支梁桥地震碰撞反应参数分析

为研究斜交简支梁桥地震碰撞反应,采用开放式地震模拟软件Open Sees,建立能够考虑梁体与桥台间纵向碰撞、摩擦作用及梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥精细化动力计算模型,分析水平地震动输入方向、竖向地震动和斜度等对斜交简支梁桥地震碰撞反应的影响规律。结果表明:忽略横向碰撞时,斜度为α的简支梁桥梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角在水平地震动以角度θ=90°-α输入时达到极小值;考虑横向碰撞后,由于挡块的有效限位作用,梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角会减小,竖向地震动对地震碰撞反应的数值有一定影响,但对其随斜度的变化规律没有明显影响,钝角处支座上拔力随斜度增大而增大,锐角处支座上拔力随斜度增大而减小,且支座上拔力由钝角处向锐角处逐渐减小,考虑水平地震动输入方向影响时,梁端纵向最大位移随斜度增大而增大,上部结构峰值转角、梁端纵向最大碰撞力随斜度增大呈先增大后减小的变化规律,梁体与挡块间横向最大碰撞力随斜度的增大总体变化不大。     

挡块对斜拉桥横向抗震体系的影响

为探讨挡块限位装置对斜拉桥横向抗震体系的影响,以宁波大榭二桥为工程背景,采用非线性时程法分析比较了三种状况下斜拉桥的结构地震响应,即不考虑挡块的作用、考虑挡块的影响、挡块破坏后的效应等三种情况。研究表明：梁体与挡块的碰撞效应有利于改善斜拉桥在地震作用下的横向受力,降低控制横向设计的锚墩的响应需求;而挡块的破坏则会导致梁体侧向过大的位移,带来结构稳定和疲劳方面的隐患;通过在边墩和锚墩设置粘滞阻尼器可以改善结构的受力、限制梁体的侧移并使支座免于破坏,但增加了设计困难和建设造价,而设置足够强度的挡块值得推荐。     

横桥向地震作用下简支梁桥偏心碰撞反应参数研究

汶川大地震中桥梁结构横向抗震挡块遭到严重破坏,其中部分是由于梁体与其发生碰撞所致。针对桥梁结构横向抗震挡块与梁体在强震作用下的碰撞现象,建立了考虑上部结构与挡块间偏心距、支座非线性和墩柱弹塑性的横桥向单墩碰撞模型。采用非线性地震反应时程分析方法,详细研究了偏心距、碰撞刚度、初始间隙、桥墩线刚度、上部结构与盖梁质量比、上下部结构周期比以及墩柱弹塑性等参数对桥梁结构横向地震反应的影响。结果表明：考虑偏心的碰撞进一步增强了系统的非线性,低高度梁(e<70cm)不考虑偏心碰撞分析可能导致不保守的结果,需引起重视。     

纵向地震作用下大跨三塔悬索桥伸缩缝处双边碰撞效应研究

相邻桥跨间的碰撞效应是引起大跨桥梁引桥落梁的重要原因,本文以一座大跨三塔悬索桥为研究对象,建立了复杂的桥梁结构空间动力分析模型,采用非线性动力时程分析法,详细分析了大跨三塔悬索桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的双边碰撞对桥梁结构地震反应的影响规律,揭示大跨桥梁主、引桥结构振动周期比与碰撞效应的内在联系。研究结果表明：当一侧引桥基本周期小于或者接近主桥梁端位移控制振型周期,而另一侧引桥基本周期显著大于主桥周期时,双边碰撞使长周期侧的引桥固定墩墩底地震内力响应、梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应显著增大,而使短周期侧引桥梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应轻微减小。     

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。     

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。     

地震作用下斜交简支梁桥桥面旋转反应的参数分析

地震引起的斜交简支梁桥桥面面内旋转不仅增大了梁体的纵、横向位移,而且增加了梁体与边界碰撞的几率。为研究地震作用下斜交简支梁桥桥面的旋转反应,利用OpenSees地震仿真模拟平台,建立考虑梁体与桥台间纵向碰撞、梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥简化动力计算模型,分析梁体与桥台间纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间碰撞刚度、初始间隙、挡块力学特性等对斜交简支梁桥桥面旋转的影响。结果表明：纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间初始间隙对斜交简支梁桥桥面转角的影响较大,而横向碰撞刚度对桥面转角的影响相对较小;梁两端锐角区设置纵向垫块对减小桥面转角和纵向位移有较好的效果;设置弹塑性挡块能有效控制桥面的震致转动,减轻挡块的横向受力。     

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。     

强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞效应的影响研究

大跨斜拉桥一般采用飘浮体系或者弹性约束体系,其在强震作用下梁端会发生很大位移,梁端的过大位移可能会导致主梁与相邻跨引桥的碰撞,使整个结构丧失整体性。本文针对强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处的碰撞现象,以一座典型大跨斜拉桥为例,建立了考虑引桥墩柱、塔柱弹塑性的空间非线性碰撞模型,采用非线性时程法研究了大跨斜拉桥伸缩缝处相邻跨梁体碰撞对桥梁结构地震反应的影响。研究结果表明：由于大跨桥梁结构主、引桥结构体系不同,在强震作用下主引桥相邻梁体易发生碰撞,碰撞不仅会产生很大的撞击力,而且使引桥地震力需求、引桥梁端位移、主引桥相对位移及引桥梁体搭接长度需求有较大增长,极易造成引桥的落梁或者破坏;而碰撞效应对主桥的地震需求影响较     

地震作用下桥梁结构横向碰撞模型及参数分析

针对桥梁结构在地震作用下梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性时程积分法,研究了横向地震作用下梁体与挡块间的碰撞效应。通过对刚体碰撞模型分析,推导出阻尼常数与恢复系数间的关系表达式,在此基础上建立了能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞模型,并对碰撞刚度、初始间隙、恢复系数以及桥梁跨径等参数进行了影响分析。分析结果表明:最大撞击力随碰撞刚度和桥梁跨径的增大而增大,但随初始间隙的变化规律不明显;恢复系数对碰撞效应影响很大,忽略碰撞过程中的能量损失会高估碰撞反应。为减轻梁体与横向挡块间的碰撞效应,提出了挡块刚度的合理取值。     

碰撞效应对非规则梁桥横向地震反应的影响

摘要：通过考虑上部梁体与防震挡块间的横向碰撞效应,采用线性和非线性时程分析法对非规则梁桥横向地震力的分布规律进行了对比研究。研究表明：板式橡胶支座的采用有利于减轻由于墩高不一致带来的非规则梁桥横向剪力分布不均的困扰,但同时增加了主梁与挡块间横向碰撞的机率;碰撞效应的考虑不仅使桥梁结构动力响应增大,而且造成各墩受力重新趋于不均。最后通过参数分析,探讨了不同碰撞条件下非规则梁桥横向地震力分布的变化规律,得到了有益的结论。     

浅源强震下RC梁式桥横向碰撞参数研究

针对地震作用下桥梁结构梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性动力分析方法对影响碰撞效应的主要因素进行了系统研究。基于刚体碰撞理论,建立能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞接触单元分析模型,研究了典型的浅源强震作用下挡块碰撞刚度、梁体与挡块间初始间隙、桥梁墩高以及跨径等因素对铁路RC简支梁桥地震碰撞效应的影响。研究表明抗震挡块对于防止横向落梁有显著的抑制作用,建议了铁路RC梁式桥抗震挡块的合理刚度及初始间隙取值,提炼了墩高及跨径对各项响应指标的影响规律。研究成果可供梁式桥抗震设计及规范修编参考     

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。     

不同约束体系曲线梁桥震害调查及损伤模式分析

为明确地震作用下曲线梁桥震害成因、结构传力机制及薄弱部位,对采用不同约束体系的曲线梁桥进行震害调查及损伤模式分析。归纳总结了汶川地震中采用不同约束体系的曲线梁桥震害;采用非线性时程方法,对比分析了不同水平地震动作用下不同约束体系曲线梁桥构件损伤状态及损伤顺序,探讨了不同约束体曲线梁桥传力机制及耗能机制。研究结果表明:曲线梁桥典型震害主要表现为主梁刚体移位,并伴有转动,主梁移位易导致其与桥台、挡块等发生碰撞,抗震分析中应考虑主梁双向碰撞效应的影响;约束体系为桥梁系统关键薄弱部位,在地震作用下易发生损伤,可将其设计为"保险丝式"单元;不同约束体系曲线梁桥的震害表现及传力机制差异明显,主要取决于约束体系的力学特性,对于采用橡胶支座的桥梁应设置合理限位装置,设置固定墩的桥梁应加强桥墩塑性铰区设计。     

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。     

地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响

在等墩高的多跨连续梁桥中,虽然相邻联的基本振动周期完全相同,地震动的行波效应可能导致伸缩缝处相邻梁体间发生碰撞。采用接触单元模拟伸缩缝处相邻梁体间的碰撞,采用阻尼器来反映碰撞过程中的能量损失,应用非线性时程方法研究了地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响。研究结果表明:地震动的行波效应在伸缩缝处相邻梁体间引起较大的相对位移,导致相邻梁体间发生碰撞,碰撞力的大小随表面视波速不同而不同。行波效应引起的伸缩缝处相邻梁体间碰撞,可能增大伸缩缝处相邻梁体间以及墩梁间相对位移,甚至造成上部结构在地震中发生落梁破坏,在连续梁桥的抗震设计与评估中,应该引起足够的重视。     

考虑混凝土损伤的隔震连续梁桥碰撞响应分析

针对隔震连续梁桥纵桥向主梁与桥台碰撞问题,以一联三跨混凝土隔震连续梁桥作为算例,采用ABAQUS建立了考虑混凝土材料损伤及三维接触碰撞的有限元模型。在此基础上,应用显式积分算法分析了纵桥向地震作用下隔震连续梁桥的碰撞响应,探究了伸缩缝间隙以及支座屈服位移对碰撞响应的影响。研究结果表明:采用三维有限元模型计算得到的碰撞持时与应力波理论得到的结果吻合较好;随着碰撞的发生,混凝土材料损伤积累,碰撞持时有增加的趋势。增大伸缩缝间隙将减小碰撞次数的发生,但对最大碰撞力的影响趋势不明显;随着支座屈服位移的增加,碰撞次数显著减小,但最大碰撞力变化不大。     

罕遇地震下曲线钢-混凝土组合梁桥的墩柱扭转效应

为了研究曲线钢-混凝土组合梁桥在罕遇地震下的墩柱扭转效应,基于考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型,建立了曲线组合梁桥的杆系有限元分析模型。对不同输入方向的三条地震波作用下是否考虑墩柱扭转效应的纤维梁模型的计算结果进行了对比,包括墩顶位移、墩柱扭转角和墩柱内力等。在此基础上,对曲线组合梁桥在罕遇地震作用下的扭转效应的关键影响参数进行了分析。结果表明:采用考虑扭转效应的纤维梁模型分析曲线组合梁桥在地震作用下的受力反应,可有效的反映罕遇地震下曲线钢-混凝土组合梁桥的墩柱扭转效应。另外,曲率半径和墩高是影响曲线组合梁桥在纵向地震作用下墩柱扭转效应的主要因素。