地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。     

基于直杆共轴碰撞理论的桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型

桥梁结构在强烈地震动作用下,伸缩缝两边的主梁会因运动的相对位移大于伸缩缝间距而发生碰撞,造成桥梁结构损坏,甚至引发落梁。研究目的是建立较合理的邻梁碰撞问题分析模型。通过引入表征邻梁碰撞相互作用的碰撞弹簧,基于直杆共轴碰撞理论建立了邻梁碰撞问题的分析模型,采用解析与数值结合的方法研究了碰撞弹簧刚度比a、邻梁长度比12/ll和阻尼比x等参数对碰撞力、碰撞持续时间和耗能的影响。利用美国加州强震观测计划(CSMIP)获得的邻梁碰撞强震记录,估计了碰撞弹簧刚度约为0.5倍的较短主梁轴向刚度。     

高速铁路列车制动力对简支梁桥地震碰撞效应影响研究

以高速铁路三跨简支梁桥为例,采用ANSYS软件,建立了碰撞有限元模型,模型中考虑了地基变形和支座非线性的影响,并用Kelvin模型来模拟邻梁碰撞;根据规范和已有试验结果建立了高铁桥梁列车制动力模型,进行了高速列车制动力与EL-Centro地震波作用下的碰撞效应分析,探讨了列车制动力对简支梁桥地震碰撞效应的影响。研究表明:列车制动力可增大桥墩的墩底剪力,增大邻梁或梁台间距,增大邻梁最大碰撞力和碰撞次数,加剧固定支座的破坏;影响程度与列车制动力和地震力的方向、桥墩刚度有关。因此在高铁简支梁桥抗震设计时,有必要考虑将列车制动力与地震力进行组合,开展碰撞效应分析。     

桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的对比分析

地震时邻梁间的碰撞是引起桥梁局部损坏甚至落梁的主要原因。为合理分析桥梁的地震碰撞响应, 基于所开发的结构精细化模拟分析平台FENAP, 对比分析了桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的计算精度和适用条件。在FENAP平台上引入线性弹簧、Kelvin-Voigt、Hertz和Jan-Hertz-damp等四种接触单元模型, 建立了结构地震碰撞分析平台, 并通过数值验证以及对正弦波和地震动激励下的模型试验的数值分析, 对比分析了不同接触单元模型对结构碰撞响应的影响。研究表明:所建立的结构地震碰撞分析平台具有较高的计算精度和效率;在四种接触单元模型中, Kelvin-Voigt和Jan-Hertz-damp模型的计算精度和适用性更高, 而线性弹簧和Hertz模型, 由于未考虑碰撞过程中的能量损失, 仅适用于恢复系数较高的近似弹性碰撞情况。     

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。     

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。     

考虑桩-土相互作用的多年冻土区多跨简支梁桥地震响应分析

为分析青藏铁路多年冻土区多跨简支梁桥地震响应情况,建立了一座10×32m箱形多跨简支梁桥三维全桥模型,以等效基础弹簧考虑桩-土相互作用;以具有初始间隙的并联弹簧-阻尼单元模拟伸缩缝两端结构的碰撞,研究了冻土融化深度、行波效应及碰撞效应对多跨简支桥梁结构地震响应的影响。结果表明:随着融土下限加深,等效基础弹簧刚度明显减小,在强地震动作用下,桥梁结构易发生落梁、桥墩倾覆等震害;当相邻碰撞体的相向位移超过伸缩缝宽度时两者发生碰撞,碰撞次数及碰撞力随地震动视波速及行进距离不同而不同,在行波波速较低且行进距离较小时碰撞效果明显,对桥梁地震响应影响较大,极易导致落梁;此外桥台对结构地震响应亦有显著影响。在对多年冻土区多跨简支梁桥抗震性能进行评估时,应特别重视夏季地震动低速行波时可能发生的震害。     

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。     

地震作用下梁体碰撞间隙宽度的概率分析方法

为了表征地震动随机性对梁体碰撞间隙宽度设计的影响,基于随机振动理论和矩阵系统可靠度运算方法提出一套评价桥梁系统间隙需求宽度的概率方法。首先,建立空间地震激励下的桥梁碰撞间隙需求概率模型;其次,建立了桥梁梁体碰撞的有限元模型,推导了震级与梁体间隙宽度超越概率的关系;最后,基于矩阵系统运算方法得到桥梁系统所有碰撞处（梁体与梁体、梁体与桥台）各碰撞间隙宽度和桥梁系统碰撞概率关系。研究表明:随着震级增加,间隙宽度需求成非线性增加;梁体-桥台碰撞需求基本一致,梁体-梁体的碰撞概率比梁体-桥台碰撞概率要约大20%;在震级为7时,三个碰撞点均发生碰撞的超越概率约为63%,至少两处发生碰撞的概率为95%,至少一处发生碰撞的概率为100%。     

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。     

桥梁结构地震碰撞分析模型的碰撞刚度计算方法研究

针对桥梁结构地震碰撞模拟问题,文中分别推导了基于波动理论的直杆共轴碰撞模型和基于接触单元法的刚体碰撞模型中相应的最大碰撞变形的计算式,并基于二者相等的关系给出了Kelvin模型和Hertz-damp模型中相应碰撞刚度的计算方法,并对所建议方法的合理性和精确度进行了验证分析。研究结果表明,文中建立方法计算的Kelvin模型的碰撞刚度数值明显小于较短主梁的轴向刚度,这一点与以前学者基于实测数据分析得到的结论相一致。数值分析结果表明,相比以前的碰撞刚度计算方法,采用本文建议的方法确定Hertz-damp模型的碰撞刚度时,可以显著提升其碰撞模拟精确度。     

地震作用下大跨度斜拉桥和引桥间碰撞分析

强烈地震作用下大跨度斜拉桥和引桥(一般是简支梁桥或多跨连续梁桥)的纵向振动是耦合的,可能发生碰撞及落梁。采用非线性时程地震反应方法分析了梁端的纵向碰撞效应对体系整体反应的影响,其中对碰撞接触单元的刚度进行了比较分析,然后分别讨论了影响碰撞的几种因素,主要是伸缩缝初始间隙大小、相邻结构周期比等的影响。结果表明碰撞对引桥影响相对较大。     

近场竖向地震激励下桥梁支座对竖向碰撞的影响

考虑桥梁支座的作用, 针对两跨连续梁桥的竖向碰撞问题, 建立了梁-弹簧-杆连续体模型. 采用瞬态波特征函数展开法和组合体瞬态内力法, 推导了多次竖向碰撞问题的理论解, 分析了桥梁支座对竖向碰撞的影响. 研究结果表明:桥梁支座直接影响桥面与桥墩的局部碰撞接触刚度, 显著影响竖向碰撞响应, 包括碰撞次数、竖向碰撞力和碰撞位移响应等. 桥梁支座对竖向碰撞具有显著的吸能减震效果, 且影响竖向碰撞响应的基本特征, 如次碰撞出现的频次和响应的频率. 当近场竖向地震激励周期逼近桥梁的固有振动周期时, 桥面上抛跳起, 与桥梁支座产生剧烈竖向碰撞. 由于调节桥梁支座的刚度可以改变桥梁的固有振动周期, 因此, 合理设计桥梁支座对于降低竖向碰撞的破坏作用, 提高桥梁结构抵抗竖向地震的能力, 具有重要的价值.     

碰撞对高铁简支桥梁横向地震响应影响的振动台试验研究

地震所导致的碰撞是影响桥梁结构地震响应的一个重要因素。该文以32 m标准跨径高铁简支梁桥为研究对象,按1/6缩尺比设计及制作了单跨桥梁振动台试验模型,并针对以往点-面接触碰撞测力装置不能真实反映原型结构碰撞接触形式的不足,设计了一种新型面-面接触的碰撞测力装置。通过振动台试验研究了桥梁模型在地震激励下的横向碰撞效应,并通过快速傅里叶变换（FFT）从频域角度分析了碰撞对桥梁结构横向地震响应的影响。结果表明:新型测力装置能够较为准确地测得挡块与垫石之间的碰撞力时程;挡块与垫石间的碰撞限制了墩梁间的横向相对位移的发展,但会放大桥墩墩底弯矩响应和梁体加速度响应。在不考虑挡块时,桥梁结构的地震响应功率谱在低频区（结构基频附近）具有较高的幅值,即地震响应主要受结构基频控制;而在设置挡块后,碰撞改变了地震响应的频率分布,在高频区的功率谱幅值明显增大。     

大跨多塔悬索桥纵向地震碰撞反应参数研究

针对大跨桥梁在地震作用下伸缩缝处的碰撞现象,以一座大跨三塔悬索桥为工程背景,建立了考虑墩柱弹塑性的空间非线性碰撞模型,采用非线性时程法详细分析了碰撞刚度、碰撞初始间隙等因素对碰撞效应的影响.分析结果表明:碰撞刚度在可能范围内取值,碰撞效应的变化不明显,碰撞刚度不是敏感参数;碰撞初始间隙是一个敏感参数,其大小对于碰撞效应有一定的影响,初始间隙比的变化对主引桥相对位移和引桥梁端位移影响比较明显.     

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