新型桥梁“耗能-限位”一体化弧形板装置力学性能试验及参数敏感性分析

为解决强震作用下中小跨径简支梁桥的落梁问题,研发了一种经济高效、安装便捷的新型“耗能限位”梁一体化弧形板装置.首先采用拟静力试验研究了不同截面的弧形板装置滞回耗能行为和疲劳破坏机理,接着采用数值分析的手段探讨了参数对装置力位移骨架曲线及等效阻尼比的影响规律,并补充了弧形板装置的防落梁行为模式与极限承载能力.结果表明:提出的新型弧形板装置具有优异的耗能能力,T形截面的弧形板结构更加合理,等效阻尼比最大能达到近40%;弧形板装置可通过分离几何参数对耗能能力、滞回强度、刚度及位移能力进行设计,增大中间截面的腹板高度h2是提高弧形板耗能能力的最有效手段,增加50%的h2能提高50.1%的最大强度与约4.7%的等效阻尼比.所提出的新型防落梁装置为桥梁中小震消能和强震柔性防落梁提供一体化装置解决方案.

震后RC桥墩竖向承载力最优工程需求参数的选取方法

桥墩结构的震后竖向承载力是评估梁式桥梁震后通行功能的重要指标,但其难以测量。为了快速定量地评估桥梁结构的震后通行能力,对评估梁式桥梁结构震后竖向承载力的最优工程需求参数(EDP)进行了系统地研究。首先选取与墩柱残余侧移和损伤相关的5个EDPs,通过对考虑了材料不确定性的RC桥墩进行Pushover分析和动力时程分析得到5个EDPs,进一步对震后的桥墩进行Pushdown分析获取震后竖向承载力。然后采用回归模型对所选EDPs与震后竖向承载力损失比的关系曲线进行回归分析,选取竖向承载力损失比关系曲线的最优回归模型为在ln(x)-y坐标系中的正态累积函数模型,进一步通过最优EDP评价准则对评估竖向承载力损失比的5个EDPs进行评价分析。评价结果表明:当考虑震后可计算性时,峰值侧移率最优;当考虑震后可测性时,残余侧移率最优;当考虑余震时,改进的Park-Ang指标最优。通过选取的最优EDP可以建立桥梁结构功能指标与抗震性能指标之间的联系,为进一步发展和完善桥梁结构的抗震韧性评估和设计提供参考。

光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展

从传感器类型出发介绍了表贴式、纤维增强聚合物式、管式和内嵌式封装光纤布拉格光栅传感器的结构型式、实施方式和关键技术,简述了各种封装方式传感器的工作原理、技术研发及工程应用进展,总结了不同封装方式传感器的优势和不足。然后,简要介绍了光纤布拉格光栅传感器在桥梁结构状态监测或检测中的典型工程应用案例。最后,指出了光纤布拉格光栅传感器在土木工程领域中的工艺工法、耐久性和分布式测量以及未来推广应用有待解决的关键问题等,为光纤布拉格光栅传感器技术优化及其在土木工程中的推广应用提供参考。

空间异形拱桥振动台试验设计

振动台试验是研究大型结构复杂动力特性和地震响应的有效手段,由于振动台尺寸和载重的限制,合理设计缩尺模型结构是振动台试验成功的关键。基于量纲相似法及弹性相似律,取1∶20的几何相似比,以某空间异形拱桥为原型,开展了其关键参数动力缩尺模型设计。首先,通过有限元数值分析,分析了动力作用下原桥模型与缩尺桥模型的动力特性、关键部位内力与位移等响应,以验证缩尺模型的合理性;并在选取合理地震动作用下,开展了结构时程响应分析。研究结果表明:缩尺模型桥与原型桥前10阶模态完全吻合且频率误差小于7%,关键截面内力、位移和加速度等响应误差未超过10%,缩尺模型桥可较好地反映原桥动力特性和响应特点。研究成果可为空间异形拱桥振动台抗震设计提供技术支撑并为同类桥梁振动台试验提供参考。

底部填芯多节段预制拼装空心桥墩抗震性能试验研究

为提高预应力连接预制节段拼装桥墩的抗震性能及施工便捷性,设计了一种底部填芯多节段预制拼装空心桥墩并进行了抗震试验研究。提出了该新型预制节段拼装桥墩填芯高度设计方法,设计了底部填芯预制节段拼装桥墩缩尺模型并开展了拟静力试验测试。基于试验结果分析了该新型桥墩在水平循环往复作用下的裂缝发展过程、失效模式、滞回性能、延性性能、耗能能力及桥墩接缝的开口大小等抗震性能。研究结果表明:所发展的底部填芯多节段预制拼装空心桥墩的失效模式为底部节段混凝土局部压溃,但范围较小,所提填芯高度的设计方法可行,可以使桥墩实现预期失效模式。该新型桥墩具有较小的残余位移、优异的耗能能力与延性性能,这表明此桥墩具有优异的抗震性能。

沥青老化前后宏-微观性能相关性

为探索沥青老化过程中微观结构变化对其宏观力学性能的内在影响机制,结合动态剪切流变仪测定的流变学参数与红外光谱仪及荧光显微镜获取的化学官能团和微观结构数据,揭示了基质沥青与SBS改性沥青在不同老化阶段的宏-微观性能关联。研究发现,SBS改性沥青的微观空间网络结构赋予其卓越的黏弹特性。识别了SBS改性剂特有的红外光谱特征峰,为快速识别和评估SBS改性沥青提供了一种方法。通过灰色关联度分析,发现官能团指数与复数剪切模量的关联度排序为:亚砜基官能团指数>芳香环官能团指数>羰基官能团指数,与沥青表面能的关联度顺序为:芳香环官能团指数>羰基官能团指数>亚砜基官能团指数。研究进一步证实,沥青老化过程中官能团的氧化和微观形貌的重构是影响其复数剪切模量变化的关键因素,为沥青材料的老化行为提供了新的理论解释。

钢-混组合梁抗剪连接件构造型式及其力学性能研究进展

钢-混组合梁是将钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体,并考虑两者共同受力的桥梁结构型式。抗剪连接件作为其重要传力构件,其性能可靠性是钢材与混凝土协调工作的基础。为了进一步明确钢-混组合梁桥中抗剪连接件的构造型式及其力学性能研究进展,对钢-混组合梁桥中抗剪连接件的相关研究进行了较为系统的梳理和总结。首先,介绍了常见抗剪连接件的类型、构造型式及抗剪机理,以及高性能材料在抗剪连接件中的应用,阐述了抗剪连接件的受力机理,对抗剪连接件分析模型及抗剪承载力计算公式进行了分类总结。最后,对钢-混组合梁抗剪连接件的发展趋势进行了展望,指出面向桥梁快速建造与低碳可持续发展的需求,急需开展基于高性能材料的钢-混组合梁桥抗剪连接件在预制拼装式桥面板中的应用研究。

基于动态人工波速的透射边界

人工边界处理是近场地震波动数值模拟的关键问题,其中透射边界(multi-transmitting formula,MTF)是一种应用较为广泛的人工边界方法,但它也存在计算精度与稳定性相互冲突的问题.为提高稳定性较好的低阶边界的模拟精度,发展出一种动态人工波速透射边界,能够适应复杂波动中外行波透射角随时间大幅度变化的情形,并探讨了动态人工波速识别这一关键问题.通过在当前时刻波场中沿人工边界附近划定观察窗口,并在一段时间之前某时刻波场中构建出一组与边界法线夹角在-90°~90°范围变化的筛选窗口,设计出一种对这两个时刻局部窗口中的波场进行比对的图像处理方法来识别外行波的透射角度.将识别得到的透射角度用于动态更新透射边界的人工波速,实现基于动态人工波速透射边界的波动模拟.在SH波动数值模拟中分别以单一脉冲波的简单波动和多个平面波叠加的复杂波动为例,证明所发展的动态人工波速透射边界对于不同透射角的波动成分均具有较好的适应性,模拟精度显著优于采用经验固定人工波速的传统透射边界.该方法为发展和完善高精度且计算稳定的人工边界提供了一个全新的研究思路.

预制模壳填芯混凝土悬臂盖梁承载力分析

盖梁的轻量化发展是实现全预制桥梁的必然要求。基于已有的预制模壳填芯混凝土悬臂盖梁静力试验,采用有限元软件ABAQUS对试件PRC1进行数值分析,有限元计算结果和试验结果吻合较好,验证了有限元模型的可靠性。通过修改已验证的有限元模型参数,进一步分析外壳混凝土强度、纵筋配筋率和交界面接触设置对预制模壳填芯混凝土悬臂盖梁力学性能的影响。基于钢筋混凝土一般构件的承载力计算方法建立试件的理论计算公式,并对提出的计算公式进行验证。研究结果表明:当外壳材料为普通混凝土时,混凝土强度等级从C35增加到C60,峰值承载力仅提高1%,而当外壳材料为超高性能混凝土(UHPC)时,峰值承载力相较C35提高了22%。纵筋配筋率与峰值承载力呈线性增长趋势,当顶部第1排纵筋直径从14 mm增加到22 mm时,峰值承载力提高了34%。交界面接触设置为绑定约束比面面接触的峰值承载力更接近试验值,且后者是相对保守的。基于钢筋混凝土一般构件建立的承载力计算方法所计算结果与试验结果和有限元分析结果吻合较好。

悬浮隧道地震动力响应及参数影响规律研究

为研究地震作用下悬浮隧道的动力响应问题,建立悬浮隧道二维截断有限元模型,基于Morison方程确定隧道管体和锚索上的水动力载荷,地震荷载的输入通过在锚索底部与海床铰接位置处输入地震加速度响应时程来实现,分别研究了不同地震类型、强度及双向地震动对悬浮隧道系统动力响应的影响,同时分析了隧道附加质量,结构阻尼与隧道、锚索拖曳力等参数对悬浮隧道系统响应的影响规律。结果表明:不同特性的地震动引发的隧道响应存在显著差异,能量较为集中的长周期地震动会引发较大的隧道响应,而能量较为分散的短周期地震动引发的隧道响应相对较小。当地震动引发隧道响应较小时,单向地震动单独作用仅能激发所对应方向的隧道响应;当地震动引发隧道响应较大时,水平方向地震动单独作用除了激发隧道的水平响应外还会激发一定的竖向响应,此时双向地震动作用下隧道加速度放大系数低于单向地震动单独作用,且放大系数随着地震强度的增大而减小。多数时间范围内,双向地震动的作用下锚索的张力波动稍大于单向地震动单独作用时的锚索张力;隧道附加质量、结构阻尼以及隧道、锚索拖曳力等参数均对隧道响应产生一定的抑制效果,但隧道附加质量会增大锚索张力。

沥青抑烟净味剂功能性验证研究

该研究旨在探究物理吸附材料和化学抑制材料对沥青烟气中颗粒物和苯类有机物释放的影响,以减少沥青烟气对施工人员健康和环境造成的危害。在实验室内模拟了沥青实际使用情况,采用聚四氟乙烯滤膜和环己烷吸收液对沥青烟气进行收集,通过重量法和气相色谱质谱联用试验研究了活性炭和净味剂B的抑制效果,并进一步考虑了二者对沥青路用性能的影响。通过中心复合模型得到了复合抑烟净味剂的最佳配方,即活性炭掺量为3.28%,净味剂B掺量为3‰。通过红外光谱试验和核磁共振氢谱试验得到了抑烟净味剂对沥青微观结构的影响,结果表明净味剂B主要由酯类化合物组成,复合抑烟净味剂的主要原理是通过使支链碳链变长,提高沥青沸点,从而达到了抑烟净味的效果。

高烈度区波纹管连接预制拼装桥墩抗震性能研究

为探究预制桥墩在高烈度区应用的可行性,提出一种新型的内外波纹管连接墩柱-盖梁节点。设计制作了2个相似比为1∶3的试件,分别为内外波纹管连接桥墩(internal and external corrugated pipe-connected pier,IOCPCP)和现浇桥墩(cast-in-place pier,CIP)。采用拟静力试验方法与有限元数值模拟结合的方法,分析试件的滞回性能、耗能能力、曲率等,并讨论其破坏模式。试验结果表明:试件破坏模式均为墩底塑性铰破坏;IOCPCP试件在承载力、滞回、耗能等方面与现浇桥墩类似,并具有更好的延性能力;IOCPCP试件在大纵漂率6%的作用下仍能保持峰值荷载88%以上的承载力;针对墩柱纵筋强度和内部补偿钢筋长度参数进行有限元模型分析,认为提高墩柱纵筋强度可以使墩底塑性铰区域略有减小,但对外围波纹管内灌浆料强度要求更高;内部补偿钢筋长度较短时,易出现双塑性铰现象。试验结果可为预制拼装桥墩在高烈度地区的工程应用提供参考。

预制装配墩柱-桩基础承插节点冲切性能研究

承插连接由于具有整体性能好、施工工序简单和拼装容许误差大等优点,成为预制装配桥墩节点的有效连接方式之一。为探明桩基础承插节点的冲切失效模式及承载力计算方法,采用ABAQUS有限元软件建立预制装配墩柱-桩基础承插节点数值计算模型,通过UHPC-NC直剪试验和墩柱-桩基础轴压试验进行了数值模型校验,研究了底板、接缝和承插连接参数对预制装配墩柱-桩基础承插节点的冲切传力机制、承载能力和失效模式的影响规律,提出了预制装配墩柱-桩基础承插节点冲切承载力计算公式。数值模拟结果表明,预制装配墩柱-桩基础承插节点的传力路径沿墩柱底部到桩的顶部;峰值荷载过后,承台底部混凝土开裂失效;接缝承载力和UHPC与混凝土之间的接触面积呈正相关,承台的冲切承载力与底板高度呈正相关。此外,当承插深度与底板高度之比由0.60增大到2.08时,接缝承载力提升了80.2%,而承插连接以及底板承载力分别降低了27.7%、52.9%,承插连接参数与底板参数具有相同的变化趋势,且底板承载力对承插连接承载力的占比较大,说明底板对承插节点承载力的贡献起主导作用。通过对已有试验和数值模拟分析,将底板和接缝的贡献系数分别取为1.00和0.92,为类似预制装配墩柱-桩基础承插节点冲切承载力的计算提供了依据。

GFRP约束ECC短柱偏压试验研究

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)约束工程纤维增强水泥基复合材料(Engineered Fiber Reinforced Cementitious Composites,ECC)轴压柱可显著提高其承载能力和延性,但偏压作用下FRP约束ECC柱的性能提升程度和作用机理有待研究。基于此,以偏心距(0、10、30、50 mm)和FRP层数(0、2、4层)为试验变量,对玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)约束ECC短柱展开了竖向加载试验,并对试验结果进行了分析。研究结果表明:小偏心破坏时受压侧FRP断裂、混凝土被压碎,大偏心破坏时受拉侧FRP撕裂与混凝土横向裂缝近乎同时出现。轴压作用下,轴向变形和抗压强度显著增大;偏压作用下,抗压承载力随着偏心距的增大而减小,而极限位移无明显变化规律。此外,承载力和延性都随着FRP层数的增加而增大。

基于伸臂-负刚度阻尼原理的应力带桥减振控制研究

随着城市建设水平的提高和旅游业的发展,对大跨人行景观桥建设需求不断增加。应力带桥因具有简洁的结构形式和优美的建筑外观,被逐渐应用于人行景观桥中,但其固有频率低、模态间隔紧密,在风、行人等动荷载作用下易发生振动。因此,为控制应力带桥振动,提出了基于伸臂-负刚度阻尼原理的应力带桥减振控制策略。首先,基于欧拉-伯努利梁理论建立了系统广义运动方程,并提出了基于复模态的系统动力特性计算方法。其次,系统地研究了应力带桥负刚度控制系统关键参数对系统动力行为的影响规律,并确定了关键参数设计准则。最后,基于案例分析对比验证了所提控制策略对应力带桥人致振动控制的有效性。提出的应力带桥减振控制方法与相应参数确定准则可为实际工程中应力带桥的建设提供参考。

基于阻尼器与分隔器混合措施的吊索多模态减振控制研究

吊索是悬索桥的关键传力构件,其长细比大、质量小、阻尼低,极易在动荷载作用下发生大幅振动。目前,采用索端阻尼器结合刚性分隔器的混合减振措施已被证明在悬索桥吊索减振控制中具有较好效果,但目前针对该措施的研究多局限在控制吊索的低阶及单阶模态。而某些情况下,吊索可能会出现高阶及多阶模态振动问题,超出了既有研究的适用范围。鉴于此,开展了索端阻尼器结合刚性分隔器的吊索多模态减振控制研究。首先,基于有限差分法,建立双索-阻尼器系统运动方程,并验证其准确性,得到了双索-阻尼器系统的动力特性;其次,提出双索-阻尼器系统多模态减振控制的优化目标,对分隔器和阻尼器参数进行了优化设计。结果表明,阻尼器所能提供的多阶模态阻尼效果受到分隔器的刚度和位置的影响,当分隔器安装在远离阻尼器的一端时,阻尼器能够实现更好的多模态减振效果。相较于奇数阶模态的最大阻尼比,偶数阶模态的最大阻尼比受分隔器参数的影响更为明显。

矩形空心桥墩抗震性能研究

为研究水平地震作用下矩形空心桥墩的抗震性能,对2个不同轴压比的桥墩进行了恒定竖向荷载下拟静力试验,同时还研究了试件刚度退化、承载能力、耗能能力和延性系数等抗震性能指标,并基于ABAQUS有限元软件对试验得出的抗震性能规律进行了验证。研究结果表明:该试验破坏模式为底部塑性铰区域的弯曲破坏;ABAQUS模拟结果与试验值有良好的吻合程度,对试验值有较好的验证与补充效果;较大的轴压比形成了更强的约束,限制了桥墩混凝土裂缝的开展,提高了桥墩的承载力和刚度;轴压比大的试件耗能能力和延性系数低。

轻型化装配式盖梁构造设计与计算方法研究进展

超长、超重预制盖梁对运输和吊装设备提出了更高的要求,阻碍了全装配式桥梁技术的发展和工程推广,成为当前亟待解决的关键难题。发展结构合理的轻型化、高性能装配式盖梁是解决上述问题的可选方案,值得关注。首先,系统梳理了轻型化盖梁的关键技术及典型工程应用;其次,详细论述了轻型化盖梁的力学性能研究进展,阐明了轻型化盖梁的未来研究方向;最后,归纳了轻型化盖梁的抗剪、抗弯承载力计算方法和流程。研究结果表明:当预制模壳与核心混凝土粘结强度较高时,预制模壳盖梁的力学性能和破坏模式与现浇盖梁相近;UHPC空心薄壁盖梁具有较强的抗剪、抗裂性能。然而,推广轻型化盖梁仍面临着轻型盖梁内模固定及拆模、设计施工技术标准制定、轻型化盖梁-桥墩节点可靠连接及其抗震性能等问题,这些问题亟需完善和突破。

混凝土帽盖模型参数标定及桥梁冲击损伤模拟应用

冲击荷载作用下混凝土响应与应力状态、应变率密切相关,数值分析存在本构模型理论复杂、参数繁多,工程应用困难等问题。基于弹塑性损伤帽盖模型,针对拉伸、压缩、剪切应力状态下混凝土的损伤特征,阐明了损伤参数取值与单元尺寸的依赖关系,提出了混凝土本构模型损伤参数及率效应参数的确定方法。然后,针对冲击作用下RC构件的弯曲与剪切损伤破坏行为,基于构件冲击试验分别从损伤参数的单元尺寸依赖性、剪胀损伤模拟必要性2个方面对混凝土弹塑性损伤帽盖模型参数取值的可靠性进行了验证,并对2种常用弹塑性损伤帽盖模型进行了对比。最后,基于某大桥船撞损伤破坏事故案例,进一步对大桥的船撞破坏过程进行了模拟验证。结果表明:采用所提出损伤参数标定方法可以很好地描述冲击作用下混凝土构件及结构在不同受力状态下的损伤演化过程及动态响应,解决了弹塑性损伤帽盖模型参数过多、取值困难而不便应用问题,可为混凝土桥梁结构冲击数值分析提供参考。

基于位移放大型变刚度自复位阻尼器的滞回性能研究

为解决传统阻尼器屈服后刚度和强度不足的问题,基于分阶段抗震设计理念,研发一种基于位移放大型变刚度自复位阻尼器(self-centering dampers based on variable stiffness and displacement amplification,SDVD),能够兼顾结构在不同变形阶段的刚度和承载力需求。该阻尼器主要由子模块初始刚度模块(initial stiffness module,ISM)和变刚度模块(variable stiffness module,VSM)组成,基于阻尼器的构造,分析其子模块及整个阻尼器的工作机理;以ISM和VSM的长度和宽度为参数,设计并制作模块ISM和VSM及SDVD整体的模型试件,通过拟静力试验研究子模块及整个阻尼器的滞回性能;通过有限元模型(finite element model,FEM)研究阻尼器滞回性能的参数影响规律。研究结果表明:该阻尼器表现出拉压对称的旗帜形滞回特性,同时具有位移放大效应和变刚度特性;通过对比分析,由有限元分析得到的阻尼器滞回曲线与拟静力试验结果吻合较好;SDVD的初始刚度和强度主要由ISM提供,并且随着ISM丝束长度的减小而增加;SDVD的屈服后刚度和承载力主要由VSM提供,且随着VSM挡杆宽度的减小而增加。