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。

无砟轨道对不同地形下简支梁桥地震反应的影响

研究目的:为研究CRTSⅡ型板式无砟轨道系统对多跨简支梁桥下部结构地震反应的影响,以32 m简支梁桥为研究对象,分别建立线桥一体化模型与单墩模型,采用反应谱法研究3种典型地形条件下轨道纵向约束效应对桥墩地震反应的影响规律。研究结论:(1)跨越平坦地形时,受轨道系统与端刺的影响,线桥一体化模型的墩底内力呈边界处小、中跨大的抛物线型分布,与单墩模型相比,中跨区域的桥墩处在地震反应放大区;(2)跨越V字形地形时,该区域各墩底内力呈现临界墩底内力显著增大、中跨高墩的墩底内力明显减小的U字形分布特征;(3)跨越Λ字形地形时,该区域各墩底内力呈现以中跨矮墩为中心、且其墩底内力显著增大、相邻墩底内力明显减小的Λ字形分布特征,中跨矮墩在抗震设计时应加以重视;(4)本研究成果可应用于类似典型地形条件下的高速铁路简支梁桥的抗震设计。

铁路空心高墩弹塑性地震反应特征

以某铁路高墩大跨简支梁桥的矩形空心截面桥墩为研究对象,构建了4种墩高的计算模型。考虑了纵筋、分段配筋、加强筋截断位置及加强筋设置数量等因素,采用OpenSees软件建立单墩计算模型进行了增量动力分析,总结了铁路高墩弹塑性地震反应特征,对抗震设计提出了建议。结果表明:纵筋配筋率在0.63%~0.89%条件下,当墩高小于42.0 m且纵筋通长布置时,空心墩底截面为薄弱部位;当墩高大于67.0 m且纵筋分段配筋时,则空心墩底截面、纵筋截断处截面以及墩中某一截面均可能为薄弱部位,但空心墩底截面均为首先出现塑性铰的区域;墩中塑性铰需要较大地震动激励才可能产生,纵筋配筋方式的选择应考虑地震动峰值加速度的影响;增加墩底加强纵筋数量总体上对降低墩底截面的塑性程度是有利的,但强震作用下未必能提高桥墩整体的抗震性能;对于高墩,当墩身出现两个或多个塑性铰区时,建议采用曲率延性系数作为评价指标。

考虑土−结构相互作用的地下室层对高层建筑地震反应影响研究

当前建筑抗震设计中往往忽略了地下室层及土−结构相互作用(soil-structure interaction,简称SSI)效应的影响,研究旨在通过振动台试验和数值模拟,研究考虑SSI效应时不同地下室层数的高层建筑在不同地震作用下的地震反应。首先选择相似系数λ(λ=1:50)进行缩尺模型的振动台试验,以模拟真实建筑的地震反应。为了模拟复杂的结构系统,利用PLAXIS 3D对有无SSI效应的缩尺模型和真实模型分别进行了数值模拟。试验和数值模拟的结果取得了很好的精确度并具有良好的一致性,同时也验证了所选相似系数λ=1:50足以反映不同地震作用下建筑的真实情况。通过对试验和数值模拟的结果进行分析,发现SSI效应和地下室对高层建筑的地震反应的影响显著。虽然目前大多数规范都认为SSI效应会减小建筑的剪力,增加相对侧向位移,但研究发现,在某些情况下SSI效应会增加建筑的剪力和相对侧向位移。

软土地基上的港口陆域回填区场地地震反应分析

在软土地基上通过回填砂形成的港口后方陆域,其场地为在密实砂层下卧软弱土层的特殊场地。利用一维场地地震反应分析软件DEEPSOIL的时域非线性分析方法建立分析模型,选择10组地震加速度记录作为输入地震动,分析该类特殊场地的地震反应。结果表明,软弱土层在强震作用下会产生大的剪切变形,使滞回阻尼充分发挥从而耗散地震能量;地震在通过软弱土层向上传递过程中迅速减小,软弱土层具有明显的减震和隔震效果。

天津市汉南路桥梁场地工程地质条件及土层地震反应分析

汉南路改线及配套服务区项目为天津市建设世界一流大港集疏运北部通道基础设施工程,工程沿线有北疆电厂专用线铁路桥和南堡铁路大桥。汉南路桥梁工程作为重要生命线工程,需在工程建设开始前进行场地地震安全性评价。本文综合前人在区域范围内地震活动性和地震构造研究成果,基于场地地震工程钻孔勘探与测试数据,建立了场地土层一维波动模型,完成了场地地表地震反应计算,取得主要成果:1)两个桥梁工程场地50年超越概率10%对应的地表水平加速度峰值分别为0.209g和0.213g;2)工程全线均位于地震动峰值加速度分区中的0.2g区。汉南路桥梁场地土层地震反应分析工作为后续工程建筑规划、震害预测和抗震设计提供了重要依据,对场地地震地质灾害评价具有重要意义。

消能摇摆钢框架结构地震反应的计算方法

消能摇摆钢框架结构(SRF)通过摇摆钢桁架抑制各楼层发生不均匀地震变形,通过位于转动底脚的阻尼器消耗地震输入能量,抗震性能良好.推导消能摇摆钢框架结构的弹性计算方法,提出SRF等效单自由度(SDOF)分析模型,基于等效线性化原理给出SRF非线性地震反应的计算方法.采用ATC-63推荐的地震动记录集进行结构弹塑性地震反应分析,得到SRF在3类地震动激励下的延性需求谱.研究表明,由弹性计算方法可以得到SRF在水平作用下的力学反应,等效单自由度分析模型能准确描述整体结构的受力机理和非线性地震反应,依此推导所得的SRF地震反应计算方法可用于预估实际结构的地震反应.相比于普通钢框架结构,SRF屈服后刚度比的取值范围更大,计算所得的延性需求谱与之匹配,可作为设计参考.

基于FK-FE混合方法的位错点源作用下全过程结构地震反应模拟

基于区域缩减思想,集整基于精确动力刚度矩阵的频率波数域(FK)半解析方法和有限元(FE)数值方法各自优势(FK精确高效模拟一维波速结构地震波传播;FEM具有丰富单元和本构类型,可精细模拟工程结构地震反应),提出了一种从震源到工程结构全过程地震反应模拟的FK-FE混合方法。并将FK代码作为插件二次开发到大型商业有限元软件ABAQUS中,实现了ABAQUS平台下从震源到工程结构的全过程宽频地震反应物理模拟。验证了FK-FE混合方法正确性,进而将其应用于位错点源作用下美国SAC机构设计的9层Benchmark抗弯钢框架结构全过程0 Hz~15 Hz宽频地震反应模拟,重点探讨了地壳层波速结构和近地表场地条件对框架结构地震反应的影响。研究表明:地壳层速度结构和场地类别对该结构的地震反应均有显著影响,地壳层速度结构3(较硬)相比速度结构1(较软),结构最大位移和层间位移角分别减小了22.7%和62.0%;Ⅱ类场地相较于Ⅳ类场地,结构最大位移和层间位移角分别减小了22.3%和44.7%。

SV波斜入射时不同水体模拟方法下超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性人工边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波不同角度入射情况,分别采用声固耦合法和附加质量法模拟闸室内水体,研究超高水头船闸闸室位移、应力和塑性损伤等地震反应,对比两种水体模拟方法计算结果的异同。结果表明:(1)整体上,两种方法计算得出的左、右闸墙地震反应结果随入射角度变化的规律基本一致;左闸墙受拉损伤的最大值均出现在入射角15°时,右闸墙受拉损伤的最大值均出现在入射角35°时;地震波入射角度对超高水头船闸动力响应影响较大,设计时应考虑地震波斜入射的影响。(2)当入射角较大时,采用声固耦合法计算的闸墙相对位移极值、主应力极值和受拉损伤结果偏保守的概率更大,对超高水头船闸结构设计来说更为安全。(3)建议两种计算方法相互参考和校核,推荐采用偏安全的结果进行超高水头船闸结构设计。

地震波斜入射时不同水深超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波和P波不同角度入射情况,采用声固耦合法模拟闸室内动水压力,研究超高水头船闸闸室在不同水深下闸顶位移、加速度和塑性损伤等地震反应。研究表明:地震波斜入射时,超高水头船闸的地震反应随水深变化的规律较垂直入射时明显不同,地震反应的程度一般较垂直入射时更大;相同水深条件下,闸顶水平相对位移峰值、水平加速度峰值多数情况下随入射角增大而增大。超高水头船闸闸室结构地震反应结果受水深变幅影响显著。一般闸墙相对高度为0.2附近的区域更易出现严重受拉损伤,相对水深为0.97时,闸墙临水侧达到严重破坏程度的受拉损伤范围最大。对综合考虑斜入射地震波和闸室内不同水深共同作用有一定的影响。

西北季节性冻土场地地震反应特性研究

我国西北地区被季节冻土全覆盖,且近年来该区域地震频发。为研究我国西北地区季节性冻土场地的地震反应特性,开展了季节性冻土场地振动台试验,并建立了不同冻结深度的三维实体有限差分模型,对比分析了不同地震激励作用下的季节性冻土场地的地震反应特征和土体的动剪应力—动剪应变规律。结果表明:在地震激励下,冻土层的存在虽然有效抑制了地震动能量,但冻结期场地的水平位移与非冻结期相比明显较大,且竖向位移呈显著的层状震陷特征;冻土场地的峰值放大系数呈先增大后减小然后再增大的规律,并且冻土层深度越大其峰值放大系数越小。此外,通过土体的动剪应力—动剪应变关系可以发现,冻土场地地震反应具有明显的非线性特征,且冻土层的存在对地震能量具有一定的削弱作用。

活动支座摩擦效应对墩底地震反应的影响

活动支座被广泛应用于大跨度连续梁桥的活动墩以及斜拉桥、悬索桥的边墩和辅助墩处。本文以布置活动支座的大跨度桥梁桥墩为研究对象,首先探讨了支座摩擦效应对活动墩墩底地震反应的影响,结果表明:对于墩身质量相对较小的活动墩,墩底地震反应随摩擦系数的增加而增加;但对于墩身质量相对较大的活动墩,墩底地震反应随摩擦系数的增加呈现先减小、后增加的变化规律。进一步,本文对墩底地震反应随摩擦系数的变化规律的机理进行了研究,研究发现:地震作用下,当摩擦系数较小时,由于支座摩擦力和墩身地震惯性力持续反向作用,可能导致活动墩墩底反应随摩擦系数的增加而减小。由于影响实际桥梁活动支座摩擦系数的因素多且复杂,按规范给定的摩擦系数计算得到的墩底地震反应可能小于实际的墩底地震反应,导致下部结构的震后修复时间和成本增加或安全性降低。

远海岛礁与场地地震反应研究现状

本文从岛礁地质构造、岛礁地震反应数值模拟方法和岛礁场地效应等方面总结了海域岛礁地震反应的研究现状,对比并且分析了海域岛礁数值模拟方法中的流固耦合模拟方法、固体边界模拟方法和地震动输入方法;总结了现有海域岛礁地震反应的场地效应相关的研究成果。相关研究表明:海水对岛礁场地的放大系数有明显影响,岛礁表面砂层对水平向地震动加速度峰值放大显著,随着输入地震动峰值的增大,岛礁场地的PGA放大效应趋于减小;海域岛礁场地对中低频段的地震动反应较为显著,加速度峰值放大系数一般介于1.5到4.0之间。为满足岛礁工程的抗震设计,需要进一步解决岛礁工程合理地震动输入、岛礁场地地震反应规律与岛礁工程的设计地震动参数等关键科学问题。

基于OpenSees的饱和土场地中地下结构地震反应研究

应用OpenSees有限元计算程序,选取某地铁车站结构为主要分析对象,构建了饱和土-地下结构体系地震反应运算模型,并利用该模型进行系统的地震反应计算。将现场饱和土动力反应视为饱和两相介质近场波动问题,选取时域显式数值算法进行计算,同时考虑了土体的弹塑性。研究结果显示:(1)因选取弹塑性土体本构,土体-地下结构的位移反应时程和输入地震动的位移时程体现出了显著性差异。(2)对于两层三跨地下结构,在以剪切波形式输入的地震动作用下,顶板的峰值加速度和侧向位移最大,中板次之,底板最小,场地土体对地震波具有放大效应,顶层的层间位移大于底层。(3)在地震动作用下,地下结构不同区域应力时程的改变规律存在非常显著的差异。中柱底部与底板节点处的应力峰值最大。地震动输入结束时,结构存在残余应力。

地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应影响研究

在地下结构抗震分析中,软弱夹层场地较一般成层场地而言问题要更为突出。本文以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-地下连续墙-地铁车站结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应的影响,对比分析了在不同场地工况下地连墙以及地连墙的连接方式对地铁车站结构的地震响应规律。研究结果表明:地下连续墙与车站结构协同作用使得车站结构整体水平变形减小,且减小效果随着软弱夹层厚度的增加更加明显;地下连续墙同时会引起附加的侧向土压力作用到车站结构上,对上层中柱和侧墙顶部等部位存在不利影响,建议工程实践中采取一定的加强措施。

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。

土-承台动力相互作用对砂土场地桩基桥梁地震反应的影响

在桩基桥梁的地震反应分析中,桩-土动力相互作用是个重要的问题,而对于采用低桩承台基础的桥梁,承台埋在土面以下,还存在土与承台之间的动力相互作用。目前,地震反应分析中一般不考虑土-承台动力相互作用的影响,相关研究也很少。为此,利用OpenSees有限元分析程序,基于p-y曲线建立了土-结构一体化桩基单墩模型,选择40条实际岩石场地地震记录作为输入,开展了考虑土-承台动力相互作用的桩基桥梁地震反应分析。结果表明,考虑土-承台动力相互作用后,结构的基本周期会减小,墩底曲率会明显增大,桩顶曲率会大幅减小,但墩顶位移的减小可以忽略。

屈服摇摆消能双层框架墩结构横桥向地震反应分析

为控制双层框架墩结构地震损伤,提升结构震后功能恢复能力,本文提出一种屈服消能摇摆双层框架墩结构,结合拉格朗日方程和动量矩定理建立了结构横桥向地震反应分析模型。针对典型双层桥梁框架墩结构分别建立了现浇分析模型、自由摇摆分析模型和屈服消能摇摆分析模型,并采用远场地震动、近场无脉冲地震动和近场脉冲地震动对结构进行横桥向地震反应分析和结构参数影响规律分析。分析结果表明,摇摆桥墩可避免桥墩发生残余变形,且防屈曲阻尼器的设置起到了较好的减隔震及抗倒塌作用,尤其是在近场脉冲地震动作用下效果最为显著;摇摆结构参数对结构地震反应有明显影响,下层结构地震反应随着摇摆桥墩高宽比、尺寸参数和下层梁墩质量比的增大呈减小趋势,而上层现浇结构地震反应呈相反趋势,值得注意的是较小的上层结构固有频率将会增加现浇墩柱发生塑性变形的可能性。

预应力摇摆双层桥梁框架墩结构体系地震反应分析

为了提升双层桥梁结构震后功能的可恢复性,本文提出一种预应力摇摆双层桥梁框架墩结构体系。采用拉格朗日方程和动量矩守恒定理建立该类摇摆双层桥梁框架墩的动力反应分析模型,进行了结构地震反应的分析,给出了预应力束参数对体系地震反应的影响,并对Ricker小波作用下结构的抗倒塌能力进行了分析。研究结果表明:采用实际工程尺寸的预应力摇摆双层桥梁框架墩在E2地震作用下的残余位移小,结构基本无塑性损伤;增大初始预应力参数ρ_(t0)可以减小上层墩柱的位移反应,但下层墩柱的反应呈现一定程度的增大;在一定频率范围内预应力设计参数的增大可以提升结构的抗倒塌能力,但在另外一些频率范围内则存在负效果。

高烈度区连续刚构桥弹塑性地震反应及断层走向影响研究

我国西部高烈度区建设了较多的连续刚构桥,部分临近活动断层。建立2座连续刚构桥Midas Civil有限元模型,选取10组脉冲型近断层地震动记录进行弹塑性时程分析,分析了断层走向对刚构桥地震反应的影响。断层走向与桥轴线夹角为75°~125°时,在纵桥向上主墩及主梁地震的反应最大,若不考虑断层走向的影响,则可能会低估20%;而横桥向最大位移则发生在0°~30°或150°~180°夹角范围之间。上述规律几乎未受加速度峰值(PGA)和桥梁墩高、跨度不同的影响。研究还发现,若不考虑断层走向的影响,对近断层地震动下桥墩塑性铰区的发生及位置存在较大的误判可能。