考虑冲刷效应的钢筋混凝土拱桥桩基地震易损性分析

冲刷将侵蚀桥梁桩基周围的土体，致其侧向约束减弱，影响桥梁结构的受力行为，这对于拱桥结构而言更甚。鉴于此，以某三跨连拱坦拱桥为例，依托SAP2000软件建立全桥有限元模型，通过m法模拟桩土相互作用，采用曲率延性作为桩基的损伤指标，基于增量动力分析方法，计算出不同地震等级下的曲率响应峰值，进而给出不同冲刷深度时，主拱桩基对应轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全破坏状态的地震易损性曲线。研究表明：在一定冲刷深度范围内，拱桥桩基的损伤概率随冲刷深度增加而加剧；当冲刷深度超过一定值后，桩基的地震损伤概率明显减小。同时，拱桥桩基冲刷深度达到3m后，恒载作用下，主拱承台的顺桥向变形略微增大，其在地震下的位移响应也随PGA增加而非线性增大。可见，桩基础冲刷至一定深度时，静/动力荷载均可能影响桥梁结构的安全性。因此，拱桥桩基需合理考虑桩基防冲刷措施，且抗震设计时需考虑冲刷深度对拱桥桩基地震易损性的影响。     

桩-土-结构效应对塔梁固结体系斜拉桥地震响应影响分析

结合某独塔预应力混凝土斜拉桥(塔梁固结体系)设计实例,采用有限元方法建立有桩基和无桩基两种动力计算模型,采用反应谱法计算有桩基和无桩基两种模型在不同地震动工况下结构各部位的内力和位移响应。给结构输入纵向、横向、竖向互相组合的地震动进行反应谱分析,得出拉索、主梁和主塔在地震作用下的内力和位移响应特性,并进行分析和比较,初步探讨了桩-土-结构效应对此类桥型的地震响应的影响。     

冲刷作用对连续梁桥桩基地震响应影响

以一四跨连续箱梁为背景,建立了三维有限元模型,采用m法模拟了土体对桩基的约束作用,计算了不同桩基冲刷深度下结构动力特性和地震响应,研究了冲刷作用对结构地震响应的影响。结果表明:冲刷作用对冲刷桩基纵向地震受力不利,对未冲刷桩基纵向地震内力影响较小;无减隔震支座情况下,冲刷作用减缓未冲刷桩基横向地震受力;采用减隔震支座将加剧冲刷作用对冲刷桩基地震内力的不利影响。     

非液化土-群桩基础-结构体系相互作用动力响应振动台试验研究

为深入研究非液化场地中桩-结构体系地震响应和土-结构动力相互作用问题,进行了含有一定深度的松砂层非液化场地土-结构体系动力相互作用大型振动台试验,分析非液化场地和群桩基础的加速度地震响应特征,并对土体侧向变形规律以及桩基弯矩分布进行了分析。结果表明：当输入0.05g拍波时,土体与桩基对加速度反应表现出放大作用,且距离结构较远处土体对加速度放大作用更加明显;当输入0.3g汶川地震卧龙台地震记录时,加速度只在远离桩基的土体中加速度反应有一定放大;桩身最大弯矩均超过60N·m,并且桩基弯矩幅值呈现出桩顶弯矩小(靠近桩顶处)、下部弯矩大(靠近桩端处)的规律,且在土层交界面附近弯矩存在突变;上部结构加速度反应自上而下有一定程度的减小,地震动Arias强度值减小明显,刚性场地上的结构地震动Arias强度是位于土体上结构的3~4倍,说明土体的耗能作用明显。     

强震作用下软土场地桩基负摩阻力振动台试验研究

为研究强震作用下软土场地中桩基负摩阻力的产生机理及分布特性,设计开展了软土静力学试验、动三轴震陷试验和软土场地–单桩体系振动台试验,验证了震陷软土场地对桩基的负摩阻力作用,得到了软土的震陷特性、不同输入地震动下桩土体系地震动响应和桩负摩阻力分布发展规律,讨论了强震作用下负摩阻力的产生及发展过程。结果表明：(1)软土震陷的产生存在一定的屈服动应力,可利用动三轴试验来初步判断震陷引发负摩阻力的启动震级;(2)水平向地震动下负摩阻力主要产生在桩身的上部,竖向地震动下全桩均会产生负摩阻力;(3)震陷引发的桩基负摩阻力具有突发性,且微小的桩土相对位移量即可产生显著的负摩阻力,这种瞬时加载可能会对结构造成破坏;(4)利用桩侧土体和接触面的抗剪强度可初步估算软土场地中桩基可能受到的负摩阻力值。试验成果可为软土场地桩基负摩阻力的判别与计算提供参考,对软土场地抗震设防具有一定的理论和工程实用价值。     

桩基三维非对称局部冲刷坑条件下土体应力计算简化模型

桥梁桩基周围形成局部冲刷坑时会导致桩基有效埋深减小,增大工程结构的安全隐患。目前研究的冲刷坑模型多为对称形态,而工程实际中的冲刷坑多为非对称形态,桩基处于更不利状态。合理计算桩周形成非对称冲刷坑后土体的应力变化是评价桩基承载力的关键之一,但目前尚没有严格的理论计算方法。针对该问题,根据试验实测的非对称冲刷坑形态提出了三维非对称冲刷坑的简化模型。将冲刷坑最大深度以上土体重度看做荷载,并基于Boussinesq点荷载方程在半无限空间中的应用,推导得到非对称局部冲刷坑内土体垂直及水平有效应力。采用有限元中"生死单元法"模拟半无限空间地基中冲刷坑的形成,并将有限元计算结果与理论方法计算结果进行对比,验证了理论计算方法的正确性。基于理论计算方法,考虑了冲刷坑内桩基的影响,并与有限元计算结果进行对比,对比结果验证了理论计算方法的可行性。在此基础上,设计了一系列工况,对三维非对称冲刷坑简化模型中的参数进行敏感性分析,得到非对称冲刷坑条件下桩周土体的垂直及水平有效应力差的变化规律。     

长周期隔震结构基于反应谱理论的地震响应预测研究

在长周期基础隔震结构的地震响应计算或设计的某些阶段(如初步设计阶段或设计完成后的评估阶段),有必要建立一种地震响应实用计算方法,通过简单计算即能体现地震动长周期分量作用,提高隔震结构的地震安全性。通过选用合适的强震记录建立适合一定阻尼比和周期范围的、相应于规范设防烈度的相对位移、相对速度和绝对加速度反应谱,给出实用算式及地震动位移峰值和速度峰值;基于周期等效等准则,建立基础隔震结构的双质点系简化计算模型,推导简化计算模型参数、动力特性及地震响应的简化算式。建立基础隔震结构地震响应预测方法。利用建立的反应谱实用算式及两质点系计算模型的参数和动力特性的简化算式,可快速预测大阻尼比、长周期隔震结构地震响应。     

地震与洪水作用下桥墩基础易损性曲线与回归分析

采用SAP2000软件建立三维桥梁有限元模型,通过非线性时程分析得到桥墩和桩基的地震响应峰值。假设地震易损性函数为对数正态分布,建立了不同冲刷深度下桥墩基础地震易损性模型,通过回归分析求解概率模型中的参数,得到不同冲刷深度下桥墩以及桩基础在不同破坏状态所对应的地震易损性曲线。并利用三次曲线描述概率模型中的参数(a,b,δ_d)与冲刷深度h的关系,进而得到随冲刷深度连续变化的桥墩基础地震易损性曲线,分析冲刷深度对桥墩以及桩基础破坏概率的影响。     

考虑冲刷深度变化的桩基小型振动台试验研究

岷江3号桥遭遇2008年“5.12”8级强烈地震,又面临令人震撼的严重冲刷。为了弄清楚该桥实际工况,按照实际桥梁墩桩的1:20模型,采用小型振动台试验的方法,分析在不同冲刷深度、不同地震波作用下桥梁墩桩的抗震性能。试验结果表明:模型桩基冲刷深度在15 cm(相当于桩长1/8)左右时,桩顶弯矩、轴力达到最大值;随着冲刷深度的加大桩身弯矩也随之增大,桩身最大弯矩位置(即最不利位置)随之下移,墩顶弯矩不变而墩底弯矩逐渐减小。岷江3号桥存在继续加剧冲刷的趋势,桩基承载力将继续下降,抗震性能将逐渐降低,需要进行墩桩加固。研究可为强震区受严重冲刷桥梁的抗震设计与加固提供参考依据,对类似工程有较强的借鉴意义。     

地震输入工况对曲线桥梁伸缩缝碰撞响应的影响

针对曲线桥梁伸缩缝地震碰撞破坏现象,结合某多层互通式立交体系中单支多联曲线箱梁桥工程,建立带伸缩缝曲线桥梁的空间动力分析模型。用Kelvin接触单元模拟伸缩缝处地震碰撞效应,建立包含墩柱、主梁、支座和伸缩缝的全桥有限元模型。利用非线性时程分析法,分别输入两组地震波的单维和多维8种地震动工况,分析不同地震工况作用下曲线桥梁伸缩缝的碰撞响应。结果表明:曲线桥梁不同方向地震动响应存在耦合,其伸缩缝碰撞响应的研究应采用多组地震波的单维和多维输入工况分别计算。     

刚性-亚刚性桩复合地基的振动台试验研究

本文开展了不同场地条件下刚性-亚刚性桩复合地基的振动台试验,对比分析了不同场地条件下刚性-亚刚性桩复合地基的地震动响应特性。试验结果表明:场地土特性对场地地震反应存在显著影响,不仅改变了桩体周围加速度峰值,还使桩顶的加速度时程曲线的形状发生了少许变化,对傅立叶谱曲线的影响也较大;与干砂场地相比,桩体在饱和砂土场地条件下沿桩身长度方向的应变峰值变化趋势更显著;地震动特性对饱和砂土场地的孔压发展存在影响;场地土特性对结构应变峰值影响显著。     

多点激励下大跨度连续刚构桥地震响应振动台阵试验研究

目前对于大跨度桥梁在多维多点激励下的地震响应尚缺乏试验研究。以一高墩大跨度钢筋混凝土连续刚构桥工程为对象,按1/10比例设计和制作一座三跨刚构桥模型,并通过地震模拟振动台阵试验,研究一致激励、行波激励和局部场地效应等对刚构桥地震响应的影响。研究表明:刚构桥对地震动的频谱特性十分敏感,地震响应差异较大;行波效应增大桥墩变形和墩底应变,其影响程度随视波速和墩梁约束的不同而有差异,且桥墩墩底较墩梁固结处对行波效应更为敏感;局部场地效应增大桥墩变形和墩底应变,且其对中墩和边墩以及墩底和墩梁固结处的影响有所不同;同时考虑行波效应和局部场地效应,桥墩的动力响应较一致激励以及单独考虑行波效应和局部场地效应时有所增大。因此,在长大桥梁地震响应精细化分析中必须考虑地震动空间效应。     

不同地震动情况下的大跨度连续刚构桥梁响应分析

地震作用会对连续刚构桥产生巨大破坏,会导致桥梁结构的部分或完全失效。针对这一问题,文章通过对一工程实例建立有限元模型,并按照不同地震动时桥梁内力响应进行计算。结果表明,在不同地震动组合作用下,桥梁结构的弯矩响应与一维不同,表现出空间耦合特性。在桥梁抗震设计时,应综合考虑地震作用的空间特性,合理进行设计。     

不同桩基形式高桩码头地震动力损伤振动台试验研究

为研究不同地震动作用下钢管直桩与钢管斜桩高桩码头结构的动力反应特征及桩基结构震损模式,以某典型钢管桩基高桩码头为研究对象,基于相似准则,设计并开展了室内振动台试验研究。研究表明：远场地震动对直桩桩基码头结构的影响较大,而斜桩结构对近场地震动的激励更敏感。地震动作用下,直桩模型无明显损伤迹象;斜桩模型桩体在桩顶处发生断裂,且在固结泥面处发生了屈曲破坏。其破坏原因是：在持续强震荷载的作用下,伴随大变形的产生,大刚度斜桩结构承受了较大的地震作用,桩顶部弯矩瞬时急剧增大,致使斜桩发生断裂,导致结构的脆性破坏,属于非延性设计。基于以上研究,建议在地震动峰值加速度小于400Gal时可采用钢管斜桩高桩码头的结构形式。     

考虑冲刷效应的黄土沟壑区桥梁桩基极限承载力 计算方法

针对黄土沟谷地形特点和依托工程桩型特征,建立了考虑边坡系数和临坡距以及冲刷深度的桥梁桩基竖向承载力计算模型,利用FLAC3D三维软件分析水流的冲刷深度、边坡土削切对桥梁桩基竖向极限承载能力产生的不良影响; 通过回归方程拟合,建立了考虑局部冲刷效应的黄土沟壑地区计算公式。结果表明:计算桩基承载力的边坡系数与对应坡距耦合关系显著,桥梁桩基侧向摩阻力与对应因素的关联性随其摩阻力降低而增强; 局部冲刷作用和陡坡地形对桥梁桩基端部摩阻力影响较为微弱,对侧摩阻力影响相对较大; 桩基的竖向极限承载力负相关于水流冲刷深度,水流冲刷深度越低,产生的影响越大; 桥梁桩基的竖向承载力公式计算结果与模型试验结果相比影响度偏差较小,该公式具有较好的准确性与实用性,可为同类桩基设计计算提供参考。     

河床冲刷深度变化对大型桩基桥梁地震反应的影响

以一座超大跨度斜拉桥为工程背景,采用解析解和有限元模拟计算相结合的方法,对河床冲刷深度变化对大型桩基桥梁地震反应的影响进行初步探索性研究。建立两质点单墩模型,推导地震反应计算公式,用解析法计算桥墩及其基础的地震反应随河床冲刷深度变化的情况,分析高桩承台基础与桥墩的动力相互作用规律,结果表明,由于承台大质量的存在,桥墩的地震反应会表现出显著的共振效应,当桥墩和基础的自振周期相近时,会出现一个峰值。进一步地,建立斜拉桥的全桥有限元模型,计算边墩、主塔及其基础的地震反应随河床冲刷深度变化的情况,验证了解析法得出的影响规律:河床冲刷深度变化对大型桩基桥梁的地震反应有很大的影响,随着冲刷深度的增加,桥梁结构的地震反应并不是单调减小,而可能出现一个峰值。     

TI层状场地中单桩对入射SH波的响应分析

采用横观各向同性(以下简称TI)层状弹性体模型模拟半空间之上的层状场地，用梁单元模拟桩的运动。结合单桩的动力阻抗函数和TI自由场地在入射SH波下的响应，建立了TI层状场地中单桩对入射SH波响应的计算模型。研究了入射SH波作用下单桩沿桩身的剪力和弯距分布，表明场地中单桩在地震作用下也可能破坏，应当引起重视。     

多介质体作用下近海桥梁的地震损伤分析

采用集中质量模型模拟桩-土相互作用,通过Morison方程和辐射波浪理论分别考虑桩基和桥墩动水压力效应,并通过桥墩构件损伤模型定义桥梁结构整体损伤准则,建立了多介质体作用下桥梁结构的地震损伤分析方法。首先对近海连续刚构桥分别进行不同水深和不同土层剪切波速条件下桥梁地震损伤分析,然后进行多介质体作用下桥梁结构的地震损伤分析。结果表明:地震作用下水-结构相互作用增大了桥梁的损伤指数,考虑桩-土相互作用减小了桥梁的损伤指数;多介质体作用下土层剪切波速较小时,水深对桥梁损伤影响相对不明显;桥梁地震损伤程度主要与地表地震动频谱特性相关;桥梁结构以横桥向损伤破坏为主。     

倾斜液化场地桩基地震响应离心机试验研究

 倾斜液化场地中群桩地震响应受液化土层侧向流动和桩土相互作用影响和控制,故倾斜液化场地中桩基抗震性能问题是一个极其复杂问题。基于动态土工离心机试验来探讨考虑倾斜液化土侧向流动特点的群桩地震响应规律。试验设计不同地震强度下2个50 g典型土工离心模型试验,以研究倾斜液化场地中桩土加速度、位移、桩身弯矩和土体超孔隙水压力响应特性。试验提出倾斜饱和土层的制备方法,再现倾斜液化场地中桩基础在强震作用下的破坏程度、状态和机制,并进一步对比分析试验结果,取得较好的成果,此为倾斜液化场地桩基础的抗震设计提供可靠依据,对确保液化场地桩基础的抗震稳定性和安全性具有重要意义。     

潮流作用下金塘大桥桩基局部冲刷极限深度计算

跨江跨海大桥桥墩基础,由于墩前下降水流及马蹄形漩涡的影响,易在水流当中受到水体的局部冲刷冲刷,严重时危及桥梁安全。近些年,由于金塘大桥周围围垦工程和人类活动的巨大影响,该工程水域的水沙条件与建桥时有较大的改变,本文介绍双向强潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式——韩海骞公式,并基于实测水文、泥沙及桥墩冲刷深度,运用该公式计算在水沙变化条件下,金塘大桥桩基在最不利大潮工况作用下最深局部冲刷深度,为桥梁的日常管理和安全运营提供数据支撑。