玛多7.4级地震野马滩大桥桥台纵桥向破坏机理分析

针对2021年青海玛多7.4级地震中野马滩大桥的桥台震害,开展基于Pushover分析的桥台纵桥向破坏机理研究。提出土-桩-桥台精细化有限元模拟方法,以及基于地勘资料的模型土体参数确定实用方法,建模方法和加载模式要点为:(1)适用于土-桥台相互作用的分布式p-y弹簧修正模型;(2)可识别背墙弯曲、剪切或弯-剪多种破坏模式的背墙非线性梁柱单元-墙底非线性剪切单元串联模型;(3)土-搭板和土-翼墙摩擦弹簧;(4)基于分布式间隙单元的可捕捉地震中主梁与背墙接触位置变化的Pushover加载模式,从而实现了桥台纵桥向地震损伤破坏全过程模拟。结果表明:野马滩桥台在水平地震作用下,背墙底截面先发生屈服,随后背墙剪力达到抗剪能力峰值,桥台整体水平承载力开始退化,直至背墙底完全剪断,而桩基础并不发生明显损伤。总体而言,桥台破坏模式为背墙弯-剪破坏,数值分析结果与桥台实际震害相符。

跨走滑断层简支梁桥模型试验研究

为了探究简支梁桥在地震(活动断层)作用下反复出现的落梁震害的发生原因及其破坏模式,根据试验功能和模型参数需求,设计制作了一套能够模拟断层两盘间产生相对三维运动的试验装置.以跨越走滑断层的简支梁桥为研究对象,通过模型试验研究了其在断层作用下的损毁过程,分析了落梁破坏特征和结构失效模式.结果表明:支座布置显著影响落梁行为,主梁移动、倾斜等过程会加剧桥墩损伤,并可能诱发桥梁的进一步垮塌;断层错动引起土体挤压效应,导致近断层区土压力普遍上升,边跨区土压力变化较小,桩基不同深度土压力变化呈现特定顺序.试验所得数据和结论能够为后续研究提供试验参考,有助于指导未来抗震设计和结构的断层适应性设计.

近断层脉冲型地震作用下大跨拱桥动力响应分析

为了研究近断层脉冲型地震动的速度脉冲特性和参数对大跨拱桥动力响应的影响规律,首先引入分解叠加(record-decomposition incorporation,RDI)法合成人工近断层脉冲型地震动,对比研究了不同等效脉冲模型的准确性,进而优化和验证了合成方法;然后以某大跨拱桥为工程背景,采用优化后的RDI方法合成了具有不同参数特征的人工近断层地震动,探讨了脉冲成分与残余分量对拱桥动力响应的影响机制;最后研究了不同脉冲参数对拱桥动力响应的影响规律。研究表明:优化后的RDI合成方法能有效模拟原始近断层脉冲型地震动,并得到具有不同脉冲参数的人工地震动;近断层地震记录的高频成分对拱桥结构动力响应具有显著的不利影响;随着脉冲幅值的增大,向前方向性效应和滑冲效应对拱桥动力响应的影响均明显增大;随着脉冲周期的增大,两种脉冲效应对拱桥动力响应均有显著的不利影响;对于脉冲个数的影响,双向脉冲的近断层地震动相比多向脉冲会引起拱桥更大的面内响应。

罕遇地震下高速铁路大跨矮塔斜拉桥减隔震性能研究

为研究不同减隔震装置对高速铁路大跨矮塔斜拉桥的减隔震机理,以某(90+180+90)m矮塔斜拉桥为研究背景,基于非线性时程分析建立有限元模型,研究摩擦摆支座、黏滞阻尼器和减隔震组合装置的减震效果及桥梁的抗震性能。结果表明:罕遇地震作用下,全桥主塔处采用摩擦摆支座和黏滞阻尼器的组合装置可以有效解决抗震问题,优化后选取摩擦系数为0.06、曲率半径为2 m的摩擦摆支座和阻尼系数为12000 kN·(m·s^(-1))-α、阻尼指数α为0.8的黏滞阻尼器;相比于单独使用摩擦摆支座或黏滞阻尼器,减隔震组合装置可大幅度减小全桥各关键截面的内力、桥墩位移及梁端转角,显著提升桥梁的抗震性能,剪力和弯矩的减震率分别达70.85%和76.94%,桥墩墩顶位移减震率达76.08%;各关键截面安全系数均大于1,结构均处于弹性范围,满足桥梁抗震性能的要求。

四主缆大跨悬索桥抗震性能分析及减震措施优化

以燕矶长江大桥为工程背景,首先,采用动力非线性时程法分析了燕矶长江大桥抗震性能,并研究了设置电涡流-摩擦组合型阻尼器和黏滞阻尼器对大跨悬索桥抗震性能的影响;然后,对附加电涡流-摩擦组合型阻尼器摩擦力、阻尼系数和阻尼指数开展了参数敏感性分析;最后,从耗能角度分析地震作用下电涡流-摩擦组合型阻尼器减震特点.结果表明:在E2地震作用下,桥塔关键截面抗弯能力均大于弯矩需求;在“纵向+竖向”地震作用下梁端纵向位移较大.设置塔梁处纵桥向阻尼器后,可有效降低主桥梁端纵向位移;增大摩擦力、阻尼系数与降低阻尼指数均可提升梁端纵向地震响应的控制效果,但参数变化对桥塔控制截面的地震响应影响较小.阻尼系数较大时,电涡流阻尼主导了电涡流-摩擦组合型阻尼器耗能,相较于黏滞阻尼器,电涡流-摩擦组合型阻尼器对梁端纵向位移控制效果更好.

考虑材料时变性的服役中小跨径桥梁横向地震响应分析

构件材料性能会随服役时间的增加而退化,并导致桥梁结构抗震性能存在时变性。为探讨不同服役期下中小跨径桥梁抗震性能变化规律,以3跨预应力混凝土连续桥梁为例,通过分析材料力学性能指标时变性,量化不同服役期构件力学分析模型参数,并考虑桥墩、挡块及支座等构件力学性能退化,采用OpenSees软件建立桥梁有限元分析模型。基于非线性时程分析结果,揭示服役中小跨径桥梁横桥向地震响应时变性。研究结果表明,随着服役时间的增加,材料力学性能发生退化,使中小跨径桥梁各构件抗震能力下降;相同水平地震作用下,中小跨径桥梁主梁及挡块位移响应随服役时间的增加而降低,而桥墩损伤程度加剧,构件震害程度与不考虑构件力学性能时变性时相差较大,其中板式橡胶支座刚度及摩擦系数时变性是关键。因此,在服役中小跨径桥梁抗震分析中,有必要同时考虑桥墩、挡块及支座力学性能退化。

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。

压弯剪扭复合作用下灌浆套筒装配式RC墩的抗震性能

随着城市交通的快速发展,对其建设要求越来越高,城市桥梁主要为匝道桥、斜交桥等非规则桥梁.为得到压弯剪扭等复合地震作用下装配式墩的损伤机理和滞回特性,进行了灌浆套筒连接(Grouting Sleeve,GS)、灌浆套筒和钢管混凝土剪力键组合连接(Grouting Sleeve and Steel-tube,GSS)装配式墩和钢筋混凝土现浇(Reinforced Concrete,RC)墩等三种桥墩在压弯剪扭复合作用下的拟静力试验.结合现有混凝土结构设计规范计算剪扭相关曲线,并与试验结果进行对比,分析装配式墩复合荷载作用下的剪扭承载能力.结果表明:GS构件与RC构件以压弯扭破坏为主,而插入钢管剪力键的GSS构件则发生塑性铰上移,呈现出剪扭破坏的特征.GS构件和RC构件具有较好的弯曲耗能能力,增加钢管剪力键的GSS构件则可以提升抗弯承载力.装配式墩接头导致其整体性较弱,GS构件和GSS构件抗扭承载力小于RC构件.各构件在复合荷载作用下的剪扭相关关系接近规范中的1/4圆理论曲线,研究结果可以为灌浆套筒连接装配式墩在压弯剪扭复合作用下的抗震性能分析提供参考.

压弯扭作用下新型承插装配式桥墩的抗震性能

为明确并提升承插式拼装桥墩抵抗压弯扭等复合荷载的能力,提出了一种结合灌浆套筒和承插口组合连接的新型承插装配式墩,通过复合荷载作用下的拟静力试验对比了现浇(reinforced concrete,RC)、灌浆套筒(grouting and sleeve,GS)、承插口(socket with ultra-high performance concrete,SU)和结合套筒连接钢筋的新型承插(grouting sleeve and socket with ultra-high performance concrete,GSU)连接拼装桥墩的损伤机理和滞回性能,结合有限元模型重点讨论了承插口深度对滞回性能的影响。结果表明:4个构件的破坏模式都是以受弯破坏为主的弯扭破坏,其中SU构件出现了轻微拔起的现象,而对应的GSU构件并未出现该现象,与RC构件接近;各构件的剪力-墩顶位移骨架发展趋势比较一致,由于GSU构件纵向钢筋连续,具有更好的整体性能,其抗弯承载力与RC构件接近,且明显大于SU和GS构件,4个构件弯曲滞回耗能较为接近;承插口深度为1.0倍截面宽度的GSU构件抗扭承载力略高于RC构件,且明显大于其余装配式墩,GSU构件的扭转刚度、延性系数和耗能能力均大于其他3个墩;当承插口深度采用0.5倍构件截面宽度时,新型承插GSU构件的抗弯和抗扭承载力均略高于整体现浇构件,具有良好的抵抗压弯扭荷载的能力,可以实现浅承插口连接。研究结果可为压弯扭复合作用下装配式墩的应用提供试验依据。

随机地震下耗能构件关键参数对自复位桥墩地震响应的影响

自复位桥墩具有能够在震后快速恢复桥梁的使用功能。为了得到不同参数下耗能构件对于自复位桥墩地震响应指标的影响,取8度区的高速铁路双线简支箱梁桥作为研究对象,从Peer数据库中筛选出具有随机特征的40条地震波对有限元模型进行非线性时程分析,通过假设检验的统计学方法得到地震响应指标的分布规律和具有95%保证率的桥墩地震响应指标上界值。研究结果表明:在随机地震作用下,自复位桥墩各地震响应指标均服从正态分布;自复位桥墩在地震过程中具有较小的残余位移,随着耗能构件初始刚度和屈服力增加,墩顶最大位移逐渐减小,混凝土压应变和钢筋拉应变逐渐增大;在考虑地震随机性基础上,提出基于概率保证率的自复位桥梁耗能构件初始刚度和屈服力的合理取值范围,可为合理设置自复位桥墩耗能构件关键参数提供参考。

采用钢管榫卯节点连接的节段预制拼装桥墩抗震性能研究

为分析钢管榫卯节点连接构造对节段预制拼装桥墩抗震性能的影响,以福建省某互通立交桥匝道桥为背景进行研究。首先进行钢管榫卯节点连接的足尺节段预制拼装桥墩试设计,采用MIDAS Civil软件建立实桥模型,对试设计的足尺节段预制拼装桥墩开展静力承载力验算;然后按1∶3.75比例缩尺,设计、制作1根整体现浇桥墩(RC)试件和1根钢管榫卯节点连接的节段预制拼装桥墩(PSBP-MTJ)试件,开展拟静力试验;最后对比分析两试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线与延性、累积滞回耗能、刚度退化与残余位移。结果表明:两试件的破坏模式类似,均为整体压弯型破坏,PSBP-MTJ试件塑性铰区因墩底灌浆套筒的存在而上移;两试件滞回曲线饱满无捏缩,耗能能力相当;PSBP-MTJ试件水平承载能力较RC试件提高约19%;PSBP-MTJ试件的拼装节段之间无剪切滑移出现,预应力筋延缓了其刚度退化,显著提高了其自复位性能,其残余位移仅为RC试件的67%,且残余位移与最大位移比值显著小于未采用无粘结预应力筋连接试件。

高速铁路自复位摇摆桥墩抗震性能分析

基于OpenSEES平台分别建立4跨高速铁路传统简支梁桥和摇摆桥墩简支梁桥系统的有限元模型,并依据摇摆桥墩的基本抗震设防目标,设计摇摆桥墩耗能构件的面积和承载力。在考虑地震动随机性基础上,进行自复位摇摆桥墩在高铁桥梁系统中的抗震性能研究。结果表明:罕遇地震下自复位摇摆耗能装置能够有效降低墩底最大弯矩,减震率达20.26%,进而减少墩身损伤,但碰撞效应使墩底最大轴力放大了74.7%;墩底耗能构件基本进入塑性但未完全被破坏,可实现震后快速修复;摇摆桥墩的最大墩顶位移比传统桥墩增加了66%,但位移组成中可自复位的刚体旋转变形远大于弯曲变形,因此震后残余位移减少了35%;摇摆耗能机制对支座最大变形的减震率达12.3%,使主梁最大变形增大了约49%,但对其残余变形的影响在1 mm内;轨道约束会削弱桥墩摇摆行为,使墩顶最大位移减少了14%,但对墩顶残余位移无明显影响。

基于组合性能指标的立面差异化锈蚀桥墩时变抗震韧性研究

为了研究立面差异化锈蚀桥墩在全寿命周期内的震后可恢复性能,该文基于结构震中响应和震后状态提出了一种“先判定损伤等级后评估可修复程度”的桥墩抗震韧性概率评价方法。以地震易损性分析为基础,基于最大位移角-残余位移角组合指标构建桥墩震后可恢复性曲线,给出桥墩各级破坏状态下多级可修复程度的概率计算方法。根据海洋环境的腐蚀特点,建立了立面差异化锈蚀桥墩的有限元模型,通过Pushover分析研究了全服役期内桥墩抗震性能的退化规律。采用增量动力分析(IDA)方法对不同服役年限的桥墩进行地震易损性分析,根据墩顶最大位移角定义桥墩破坏状态、以峰值加速度(PGA)表征地震动强度,从而建立起桥墩时变地震易损性曲线。以残余位移角为参考指标,对桥墩不同服役时间的各级破坏状态进行震后可修复程度的分类与统计,通过构建可恢复性曲线实现桥墩不同破坏状态下各级修复难度的概率评估。研究结果表明,随着服役时间的增长,钢筋锈蚀会导致桥墩抗震性能的不断退化。相比未锈蚀情况,桥墩服役100年后,承载力下降约20.22%,而侧向变形能力降幅可达75.30%。同时,随着服役时间的增长,桥墩各级破坏状态的地震失效概率逐渐增大,且震后修复难度也随之提高。当PGA为0.6 g时,桥墩从未锈蚀到服役100年,发生严重破坏的超越概率由16.92%上升到了35.66%,而震后需要简单修复的概率由14.17%上升至26.49%,并出现了较难修复和难以修复的情况。

桥梁抗震设计关键内容与减震、隔震技术的应用

为避免因发生地震而出现的桥梁结构失稳、倒塌问题,该文针对桥梁工程的抗震设计进行详细分析,结合桥梁结构出现的震害,提出桥梁抗震设计的关键点、减隔震技术的运用对策,旨在以桥梁工程为例,对比减隔震技术相较于非减隔震技术在提升抗震性能、降低震害风险等方面起到重要作用。这一研究将为桥梁抗震设计,合理运用减隔震技术提供重要参考。

考虑高阶振型效应的大跨度钢桁拱桥瑞利阻尼参数取值研究

为了解高阶振型效应对大跨度钢桁拱桥地震反应的影响机制,以及在采用直接积分法时构建合适的瑞利阻尼矩阵,以某490 m跨径钢桁拱桥为背景,采用SAP 2000软件建立全桥弹性动力计算模型。针对主拱圈上(下)弦杆轴力、弯矩,研究振型参与质量最大的7阶(第1、4、8、11、13、23、49阶)振型反应与总反应的占比关系,并对构建瑞利阻尼矩阵的特征频率选取方法展开研究。结果表明:主拱圈上、下弦杆拱脚区域的轴力主要由1阶振型(第1阶)控制,由拱脚向拱顶过渡,逐渐转变为由2~4阶振型控制,高阶振型效应显著;同一阶振型对主拱圈上、下弦杆轴力贡献率及分布规律的影响不同;对于复杂钢桁拱桥,采用振动方向上振型参与质量较大的2阶振型特征频率构建瑞利阻尼矩阵可能因高估了高阶振型阻尼比,导致除拱脚区域以外的拱圈弦杆杆件轴力计算结果偏小,结构偏于不安全;采用直接积分法对复杂钢桁拱桥进行地震反应分析时,建议选取多阶控制振型构建相应的瑞利阻尼工况,并对其计算结果取包络用于抗震设计。

地震作用下车辆-公路桥梁耦合作用的能量机理

由于地震作用下车辆和公路桥梁相互耦合作用的复杂性,目前对其相互作用机理的研究较少,导致各国现行公路桥梁抗震设计规范关于桥梁在地震作用时是否需要考虑活载作用仍然存在分歧.现有研究表明,车辆既可能对桥梁的地震响应产生有利影响,也可能产生不利的影响.本文在已有的研究基础上,对车桥耦合接触行为进行简化模拟,采用能量法对车辆-公路桥梁耦合作用机理进行分析.结果表明:车桥耦合作用对输入到桥梁水平方向能量的影响可以忽略不计,但会导致输入到桥梁竖向总能量的减小,因而使桥梁的竖向地震响应减小,而输入到车辆竖向的能量则主要来自桥面振动;此外,车辆质量越小,桥梁振动产生的对车辆水平方向的能量输入越大.

考虑变墩高效应的小半径曲线梁桥地震易损性研究

为分析墩高变化形式对小半径曲线梁桥地震易损性的影响,以某互通式立交匝道桥第2联为背景,设计渐变型、凹岛型、凸岛型3种墩高变化形式曲线梁桥进行地震易损性研究。在提出的压弯剪扭耦合作用破坏的基础上,采用集中铰-纤维模型的桥墩建模方法,通过SeismoStruct有限元软件建立3种墩高变化形式曲线梁桥模型;选取符合Ⅲ类场地特性的50条地震波,利用能力需求比法,以位移延性比为损伤指标,研究不同变墩高形式下桥墩与支座的地震易损性。结果表明:当小半径曲线梁桥采用3种墩高变化形式时,以弯曲受力为主的中、高墩在地震作用下发生完全破坏概率较低,以弯剪或剪切受力为主的矮墩在强震作用下发生完全破坏概率较大,变墩高曲线梁桥可以适当提高矮墩的抗震能力;凹岛型墩高变化形式会增加矮墩的损伤概率,在抗震设计中应避免选择该墩高变化形式或尽可能优化墩梁连接方式;墩高变化形式对于支座的易损性影响小于对桥墩的影响。

高铁大跨连续梁不同约束体系下抗震性能研究

研究目的:为研究不同抗震约束体系对高速铁路大跨度连续梁桥纵向抗震性能的影响,以一座跨径为(60+100+60)m的高速铁路连续梁桥为工程背景,采用OpenSees软件对全桥进行非线性时程分析,针对不同的设防烈度,从动力特性、桥墩墩底弯矩、墩顶位移、支座位移等方面,对比分析延性体系、减隔震体系以及延性体系加减隔震体系多种工况下桥梁的地震响应差别。研究结论:(1)与延性体系相比,减隔震体系可显著延长桥梁结构的自振周期;(2)对于墩高20 m的高铁大跨连续梁按罕遇地震设防时,在Ⅶ度区及以上设防烈度时,桥墩会进入延性,且位移延性系数随着桥墩配筋率的增大而减小;(3)采用延性抗震体系的高铁大跨连续梁,可通过增大配筋率和设置阻尼器减轻桥墩的损伤,使其处于轻微损伤状态;(4)采用减隔震体系可保证高烈度地震区的高铁大跨连续梁桥的桥墩在罕遇地震下处于弹性工作状态,结构的减震率可超过80%;(5)摩擦摆支座体系减震效果好,但需要通过附加阻尼的形式来满足支座设计位移需要;(6)本研究成果可为高铁大跨连续梁桥的抗震设计提供参考。

基于可靠度与易损性的地震动输入修正方法

在基于性能的地震工程理念与经典可靠度理论框架下,分析了地震易损性与结构可靠度的共同特性,阐释了将两者相结合的理论基础与概率方法;以一座三跨连续梁桥为例,基于OpenSees平台建立桥梁有限元模型,通过非线性动力时程分析对结构进行概率地震需求及易损性分析,基于易损性曲线考虑3种抗震目标对桥墩进行抗震设计,并对设计墩柱进行恒载与车辆活载作用下的可靠度分析;考虑不同地震重现期,根据泊松随机过程计算各类地震作用下的目标可靠度,基于概率方法对结构的初始可靠度进行修正,进一步结合地震易损性,确定不同抗震目标下的地震动水平,提出基于可靠度与易损性的地震动输入参数确定方法。结果表明,1000年、475年和50年地震重现期下,修正PGA均值分别为0.25 g、0.24 g和0.22 g,高于仅考虑易损性时的0.21 g。本方法将地震易损性与可靠度相结合,为结构不同层次的抗震设计提供了思路与方法。

高烈度区快速施工跨线桥基础隔震性能研究

为适应高烈度区跨线桥快速施工的需要,提出基础隔震跨线桥的设计理念。以某2×25m高速公路跨线桥为工程背景,将铅芯橡胶支座作为基础隔震装置进行研究。采用Midas/Civil建立桥梁动力分析模型,选取7条时程曲线作为地震动输入,对跨线桥进行顺桥向和横桥向时程分析,对比采用基础隔震体系前后跨线桥抗震性能的变化,并分析弹性挡块对跨线桥地震位移的控制效果。结果表明:基础隔震跨线桥将主梁与中墩作为整体预制安装,最大限度地减少了现场作业时间,理论上可作为跨线桥快速施工的一种方式;相比于常规结构体系,基础隔震体系既能降低中墩地震内力,又能减小梁端支座位移,可显著提升跨线桥在顺桥向和横桥向的抗震性能;弹性挡块可有效控制基础隔震跨线桥的地震位移,但使得桥墩的地震内力明显增大,设计时应注意二者的平衡,合理选择弹性挡块的力学参数。