基于负刚度装置的超长联大跨连续梁桥地震反应控制研究

为完善超长联大跨连续梁桥的减、隔震技术,将负刚度装置引入到超长联大跨隔震连续梁桥中组成新型减、隔震系统,并与黏滞阻尼器-摩擦摆支座组合减震系统进行比较。基于CSiBridge软件建立全桥有限元模型,负刚度装置采用弹性多段线模拟,摩擦摆支座采用双线性恢复力模型,黏滞阻尼器采用Maxwell模型,输入3条地震波进行非线性时程分析,考查两种新型减、隔震系统下桥梁结构的地震反应,探究负刚度系统及黏滞阻尼器系统对超长联大跨连续梁桥地震反应的控制效果。研究结果表明:负刚度装置与黏滞阻尼器均可以有效地减小超长联大跨隔震连续梁桥的支座位移。负刚度装置对桥墩内力反应及梁体加速度反应的控制优于黏滞阻尼器。负刚度装置在超长联大跨连续梁桥地震反应控制中有较好的应用前景。

SMA限位对铁路自复位桥墩地震反应的影响

为研究形状记忆合金(SMA)对铁路自复位桥墩地震反应的影响,在已验证的两弹簧模型上增加SMA限位单元,以某铁路桥墩为工程背景,基于OpenSees平台建立数值分析模型,通过输入3条强震记录,采用非线性时程分析方法进行SMA限位的桥墩影响分析。讨论SMA限位装置关键参数初始间隙、初始预加力变化对墩顶位移和墩底弯矩的影响规律,并与预应力钢筋限位进行比较。研究结果表明:在普通地震动El-Centro与Taft波下,自复位桥墩的墩顶位移随限位装置初始间隙δ减小而减小,墩底弯矩随初始间隙δ减小而增大;随SMA限位装置初始预加力增大,自复位桥墩的墩顶位移减小,墩底弯矩增大。在近断层地震动Northridge下,SMA限位对自复位桥墩地震反应的影响复杂。在3条强震记录下,与预应力筋限位相比,SMA限位会减小墩底弯矩,增大墩顶水平位移。

铁路自复位桥墩地震动最不利输入方向研究

为探究地震动输入角度对铁路自复位桥墩地震反应的影响,以一座简支梁桥为工程背景,建立空间自复位桥墩地震反应分析模型,并对模型进行验证。选择22组强震记录作为地震动输入,以屈服面函数Ψ作为判别最不利输入角度的标准,从0°开始顺时针旋转,每次增加5°,进行铁路自复位桥墩地震反应分析。结果表明:145°输入时,Ψ值最大,145°为桥墩最不利输入角度;在最不利方向下桥墩的地震反应大于顺桥向和横桥向。自复位桥墩设计时若不考虑地震动最不利输入方向,则偏于不安全。

金属橡胶桥梁支座疲劳试验研究

以某公路桥梁为工程背景,设计并制作了两个足尺金属橡胶桥梁支座试件,开展了200万次的竖向疲劳试验,探讨了疲劳前后支座力学性能的变化规律。在疲劳试验过程中每隔20万次进行了一次压缩试验,得到了一组支座竖向压缩滞回曲线。疲劳试验前后分别进行了支座压剪试验,得到了支座水平剪切滞回曲线。引入疲劳损伤因子对金属橡胶桥梁支座的疲劳损伤进行了定量表征。结果表明:金属橡胶桥梁支座疲劳损伤主要表现为内部金属丝之间的磨损、局部断丝、掉丝。疲劳损伤会显著降低支座一侧的水平承载力、屈服后刚度和等效剪切刚度,且使支座的水平剪切滞回曲线变得明显不对称,但会增大支座的整体耗能能力。支座竖向等效刚度及等效阻尼比随着疲劳加载次数先增大后减小然后再趋于稳定。200万次疲劳循环后的剪切等效刚度、竖向等效刚度及竖向等效阻尼比损伤因子均小于0.3,支座具有良好的疲劳性能。

钢筋混凝土墩柱弯剪数值模型对比研究

为探究弯剪和剪切破坏墩柱的抗震性能及反映墩柱弯剪破坏机制的数值分析模型,依据弯剪及剪切破坏墩柱的拟静力试验结果,考虑剪跨比和截面配箍率对墩柱抗剪及延性变形能力的影响,提出了剪切破坏时墩柱塑性铰区转角的计算公式,并与Leborgne公式及Ghannoum公式进行了比较;基于OpenSees数值分析平台,从截面层次和单元层次分别建立了考虑弹性剪切效应及弯剪耦合效应的两种精细化分析模型,以PEER数据库中试验墩柱结果进行了数值分析模型验证。结果表明:所提公式能更精确地监测墩柱剪切破坏发生时刻,考虑弯剪耦合效应的数值模型能较好地模拟钢筋混凝土墩柱抗剪强度、刚度退化及捏拢现象,与试验结果吻合较好;考虑弹性剪切效应的数值模型不能较好地体现剪切失效与刚度退化。

长联大跨连续梁桥隔震技术应用研究

为从有利于各墩协同抗震的角度探讨适用于长联大跨连续梁桥的减、隔震技术,以内蒙刘召黄河大桥主桥其中一联(55+10×100+55)m的预应力混凝土连续梁桥为背景,开展摩擦摆支座隔震、粘滞阻尼器减震及盆式橡胶支座抗震研究。建立全桥有限元计算模型,采用双线性滞回模型模拟摩擦摆支座、Maxwell模型模拟粘滞阻尼器,输入50年超越概率2%的3条地震波进行非线性时程反应分析。结果表明,长周期长联大跨连续梁桥的隔震机理为通过减弱制动墩对主梁的约束来减小作用于制动墩顶的有效主梁质量、改制动墩单独抗震为各墩协同抗震;摩擦摆支座隔震可有效地提高其抗震性能。

铁路高墩弹塑性地震反应分析

给出了高墩弹塑性地震反应分析的方法与步骤,对铁路高墩的弹塑性地震反应进行了研究。研究结果表明:高墩可能在墩中,也可能在墩底形成塑性铰;也可能在墩中及墩底均形成塑性铰;在一定的地震强度下,墩底塑性铰区的位置相对明确,墩中的塑性单元位置受地震动影响较大,潜在的塑性铰区在0.28~0.46倍墩高范围内;同等地震强度下,两个塑性铰区下的墩顶位移与只有一个的相比增大很多。因此,位于高烈度地震区的铁路高墩在进行延性设计时应谨慎。

高墩自复位隔震机理

为了探讨桩基础高墩自复位隔震机理,用2个弹簧模拟桥墩的提离摇摆,考虑限位钢筋的影响,基于某铁路高墩桥梁,采用非线性时程分析方法,输入3条强震记录,讨论高墩摇摆反应随提离弹簧刚度、基础宽度及参数λ变化的规律。研究结果表明:提离弹簧刚度越小桥墩的摇摆振动越剧烈、摇摆反应越大,墩顶位移随λ的增大而减小、有明显的线性关系,墩底弯矩随λ的变化相对复杂。通过基础宽度、λ及墩-承台的接触刚度调整均可以实现对桥墩摇摆反应的控制。

川藏铁路大跨度桥梁抗震设防标准研究

高烈度地震区大跨度桥梁较多是川藏铁路的特征之一,确定抗震设防标准是川藏铁路大跨度桥梁抗震设计首先需要解决的问题。从超越概率与地震重现期关系入手,详细分析国内外典型大跨度桥梁的抗震设防标准,结合设计地震加速度与超越概率的关系,计算得到铁路B类桥梁的重现期,明确其抗震设防标准。以地震重现期为主要指标,探讨川藏铁路大跨度桥梁的抗震设防标准及不同烈度多遇地震对应的重要性系数,可供铁路大跨度桥梁抗震设计参考。

新型铁路桥墩的抗震性能研究

针对铁路桥梁摇摆隔震桥墩整体侧向刚度较低的问题,提出在桥墩与承台分离处设置无粘结预应力筋,形成新型桥墩。以某单线铁路桥为例,针对其18号墩提出新型桥墩设计方案,考虑预应力钢筋及其初始预加力损失,基于OpenSees平台建立有限元模型进行地震反应分析,研究其抗震性能。结果表明:罕遇地震作用下,墩顶水平位移、竖向提离位移、墩底弯矩、摇摆反应及预加力损失明显大于设计地震作用下的相应值,但墩底弯矩的增幅小于墩顶水平位移的增幅;输入地震动强度及频谱特性对墩顶位移与墩底提离位移的影响较大,对墩底弯矩的影响相对较小;新型桥墩容易实现罕遇地震作用下不坏的抗震设防要求,具有较好的抗震性能。

剪力键对隔震桥梁地震反应的影响

减、隔震支座中增设剪力键,能提高桥梁的综合性能。为精确分析隔震桥梁的地震反应,建立了设置剪力键的减、隔震支座滞回模型,提出了剪力键的数值模拟方法。以某连续梁桥为背景,建立了全桥有限元分析模型,通过3种情况下桥梁地震反应分析结果的对比研究,验证了剪力键模拟方法的有效性。变化剪力键的水平承载力大小,分析了剪力键对减、隔震桥梁地震反应的影响。结果表明,剪力键对隔震桥梁的墩底弯矩有较大影响,隔震桥梁的地震反应分析时需考虑剪力键的影响。

高墩大跨连续刚构桥抗震性能研究

用设有多个塑性铰的全桥计算模型研究了连续刚构桥的抗震性能,并与类似的连续梁桥作了比较。结果表明连续刚构桥在高烈度地震区所受的地震损伤仍很小,抗震性能明显高于类似的连续梁桥;刚构墩出现塑性后,与弹性的相比墩底的地震力明显减小,随着地震动强度的增加减小的幅度增大,但墩顶位移变化很小。

铁路高墩桥梁基底摇摆隔震与墩顶减震对比研究

为提高铁路高墩桥梁抗震性能,探讨强震下高墩桥梁减、隔震设计,提出一种适用于顺、横桥向的高墩基底摇摆隔震设计方法。根据铁路高墩减、隔震设计参数确定原则,给出高墩摇摆隔震力学计算模型及其主要参数计算公式。结合某铁路高墩桥梁,采用数值方法分析其基底摇摆隔震效果与墩顶铅芯橡胶支座减震效果,并进行比较。结果表明:墩顶铅芯橡胶支座具有一定减震效果,基底摇摆隔震高墩能靠自重平衡地震作用,隔震效果比墩顶减震效果更好、更稳定;基底摇摆隔震技术还可实现墩底最大地震弯矩不受输入地震动频谱特性的影响。

高速铁路桥梁基于摩擦摆支座的减隔震研究

探讨了高速铁路桥梁基于摩擦摆支座减、隔震的设计原则,采用非线性时程分析方法研究了高速铁路多跨简支梁桥的摩擦摆支座隔震效果。分析中考虑了墩高、地震强度及场地类型变化对摩擦摆支座隔震桥梁地震反应的影响。结果表明,墩高变化对墩底弯矩及其减、隔震效果有较大影响,地震强度变化对隔震桥的墩底弯矩也有较大影响,但对减、隔震率的影响很小,墩高及地震强度对隔震支座的最大水平滑动位移影响较大。墩高7m及墩高13m的高速铁路桥梁减、隔震效果显著,摩擦摆减、隔震支座在高速铁路桥梁中有较好的应用前景。

桩基础高墩摇摆隔震分析模型研究

建立了桩基础高墩摇摆隔震的分布Winkler弹簧模型,与振动台试验结果的比较表明,分布Winkler弹簧模型可以较好地模拟桥墩的摇摆隔震。基于分布Winkler弹簧模型,提出了桩基础高墩摇摆隔震的两弹簧分析模型及提离弹簧刚度的取值方法。基于某铁路高墩桥梁进行了分布Winkler弹簧模型、两弹簧模型及转动弹簧模型的比较。结果表明,两弹簧模型的时程曲线与分布Winkler弹簧模型吻合较好,两弹簧模型得到的墩顶峰值位移及墩底峰值弯矩大于分布Winkler弹簧模型,而转动弹簧模型的结果则小于分布Winkler弹簧模型。

限位装置对桩基础高墩摇摆反应的影响

提出了限位装置的模拟方法,完善了桩基础高墩摇摆隔震的分析模型.基于某铁路高墩桥梁,输入3条强震记录,采用非线性时程分析方法进行了限位装置的影响分析.讨论了限位装置初始间隙及屈服力的变化对墩顶位移与墩底弯矩的影响规律.结果表明,限位装置减小墩顶位移的同时会增大墩底弯矩,墩顶位移受限位装置初始间隙的影响较大,墩底弯矩受限位装置初始间隙的影响较小,桩基础高墩的摇摆反应受限位装置屈服力的影响较大.

近场地震动对桩基础高墩摇摆反应的影响

为明确桩基础高墩自复位隔震装置的适用范围,研究了近场地震动特性对桩基础高墩摇摆反应的影响.以断层距作为识别近场地震动的主要参数来选取地震动,采用两弹簧模拟桥墩的提离摇摆,基于某铁路高墩桥梁,采用非线性时程分析方法,讨论了近场地震动对高墩摇摆反应的影响.结果表明,近场水平地震动显著增大墩顶的摇摆位移,竖向地震动对桩基础高墩的摇摆反应有不利影响.在近断层地震区桩基础高墩应谨慎采用摇摆隔震装置.

横梁屈服对斜拉桥横向地震反应的影响

未来地震的强度具有不确定性,在超设防地震下,斜拉桥的桥塔横桥向有可能进入非线性状态.基于某大跨度斜拉桥,文中建立了空间有限元模型,分析了强震下横桥向的地震反应,引入能力与需求之比来判断横梁是否进入屈服状态.同时,采用纤维梁单元模型模拟横梁的非弹性行为,重点研究了横梁屈服对斜拉桥横桥向整体抗震性能的影响.结果表明:斜拉桥横梁的能力与需求之比较小,将其按延性抗震设计比较合理;横梁的地震轴力变化较大,对横梁的屈服弯矩有较大的影响;横梁屈服后对斜拉桥的横向地震反应有较大的影响,可能会增大塔底弯矩,设计中需要考虑.

Lock-up装置的作用机理与分析模型

为探讨Lock-up装置的分析模型,介绍了其构造、阐述了其作用机理,给出了Lock-up装置阻尼力的力学模型并提出了相应的数值模拟方法。基于某铁路桥梁,建立全桥有限空间模型,采用文中提出的模拟方法进行了Lock-up装置的减震性能分析,通过与常用的刚性连杆或主从约束模拟方法的比较,明确了刚性连杆模拟方法的适用条件。结果表明,Lock-up装置的地震作用过程比较复杂,当Lock-up装置能够激发出极大的阻尼力时,文中的模拟方法与常用的刚性连杆或主从约束模拟方法结果非常接近,通常情况按刚性连杆或主从约束模拟方法得到的结果偏大。

桥梁震害分析与合理抗震体系研究

通过对汶川、唐山及云南等地震中典型的简支梁桥、连续梁桥、连续刚构桥和拱桥震害分析发现,相同桥梁体系的震害有许多共同特征,不同桥梁体系的抗震性能差异很大。本文结合数值分析,讨论了简支梁桥、连续梁桥、连续刚构桥和拱桥在各种条件下的抗震性能优劣,提出了地震区直线桥梁合理抗震体系的选择方法。