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。

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。

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。

金属橡胶桥梁支座剪切屈服后刚度研究

基于重叠面积法与Haringx理论,得到圆形截面金属橡胶桥梁支座剪切屈服后刚度的计算公式,公式中剪切屈服后刚度与压应力及支座直径成正比,与支座高度成反比,并且存在待求系数α与β。通过大尺寸金属橡胶桥梁支座试件的压缩及压剪试验,获得剪切模量与压缩模量之间的关系,求得系数α约为1.3。参考剪切试验中压应力、支座直径、相对密度和形状系数对支座剪切屈服后刚度的影响规律,给出无量纲系数β的计算公式。根据待求系数α与β,对理论计算公式进行实用性简化,并比较屈服后刚度的理论计算结果与试验结果。结果表明:实用计算公式与试验结果吻合较好,且具有较好的精度,可用于金属橡胶支座压剪状态下屈服后刚度的计算。

黏滞阻尼器对铁路自复位桥墩地震响应的影响

以一座铁路桥墩为工程背景,研究黏滞阻尼器对铁路自复位桥墩地震响应的作用。在两弹簧模型的基础上建立了能考虑黏滞阻尼器作用的自复位桥墩地震反应分析模型。基于OpenSees平台建立数值分析模型,输入3条近断层地震记录,采用非线性时程分析方法分析黏滞阻尼器对自复位桥墩地震反应的影响,探讨黏滞阻尼器参数对墩顶最大位移和墩底最大弯矩的影响,并与无阻尼器自复位桥墩进行对比分析。结果表明:墩顶最大水平位移随阻尼系数(C)的增大呈减小趋势,随速度指数(α)的增大呈增大趋势;墩底最大弯矩随阻尼器参数的变化较为复杂。在近断层地震波作用下,与无阻尼自复位桥墩相比,设置阻尼器能够明显减小墩顶最大位移和墩底最大弯矩。对铁路自复位桥墩而言,α为0.2,C为2000 kN(s/m)α最优。

大跨度钢管混凝土拱桥非线性抗震性能研究

基于OpenSees平台建立钢管混凝土拱桥动力分析模型,并与Midas Civil模型结果进行比对。通过一条强震记录下的IDA分析,得到钢管混凝土拱桥拱肋横桥向非线性地震性能,比较拱肋采用弹性梁单元和纤维梁单元两种模型的拱脚弯矩时程曲线和拱顶位移时程曲线,分析拱肋关键截面屈服机理,绘制它们的曲率IDA曲线和拱顶位移IDA曲线。研究结果表明:横桥向在强震作用下拱脚和拱顶不一定先屈服,而是在拱肋截面突变或有集中质量连接处,在设计时需重点考虑;随着地震动增大,先是与横撑连接处拱肋首先屈服,然后是拱脚和拱顶位置,最后向整个拱肋扩展,拱肋非线性性能良好,仍有一定的抗震储备能力。

大跨度钢管混凝土拱桥抗震性能指标研究

高轴压比钢管混凝土墩柱的试验结果对钢管混凝土拱肋具有较大的借鉴意义。为明确大跨度钢管混凝土拱桥的抗震性能指标,研究了高轴比钢管混凝土构件的破坏过程及延性性能。以弯矩作为性能指标将高轴压比钢管混凝土构件的试验破坏过程分为轻微损伤、有限损伤与严重损伤3个阶段,结合钢管混凝土截面性能状态的数值分析,探讨了高轴压比钢管混凝土构件的破坏机理。结果表明:高轴压比钢管混凝土构件具有一定的可用延性;提出了以计算等效屈服弯矩作为抗震性能指标,适当利用延性和实现钢管混凝土拱桥的有限损伤抗震设计,并给出了与有限损伤相关的截面性能状态及参数。研究成果弥补了规范在此方面的不足,可供高烈度地震区大跨度钢管混凝土拱桥抗震设计时参考。

自复位高墩振动台模型试验

为探讨自复位桥墩的地震反应,以某简支梁桥为工程背景,设计并制作了一个缩尺的模型桥梁。通过白噪声扫频获得了自复位桥墩的动力特性及其变化规律,选取El-Centro、Mexico和Chi-Chi强震记录作为地震动输入,进行振动台模型试验。试验记录了墩顶的加速度和位移反应,考查了地震动强度、频谱特性及预应力钢筋及其初始预加力对模型桥墩动力特性及摇摆反应的影响。试验结果表明:墩顶水平加速度反应随地震动强度及初始预加力的提高而增大,墩顶位移反应受地震动的强度、频谱特性及初始预加力大小影响较大。墩底提离面轻微损伤会明显降低体系的整体水平刚度,初始预加力则能提高体系整体水平刚度,桥墩的阻尼比随体系的水平刚度增大而减小。强震下自复位桥墩发生了预期的提离摇摆,震后墩底提离面出现轻微损伤,墩身无裂缝产生,结构具有良好的抗震及自复位性能。振动台试验结果验证已有文献的数值分析结论,振动台试验数据可用于数值模型校核或修正。

大跨度独塔斜拉桥斜拉索抗震性能研究

为了研究斜拉索的抗震性能,以某大跨度独塔斜拉桥为工程背景,采用MIDAS CIVIL软件建立全桥有限元模型,分别按照顺桥向和横桥向2种方式输入不同强度的地震动。通过非线性时程分析方法分析斜拉索的地震反应,寻找最不利索梁锚固和最不利受力索的位置,考查最不利拉索位置随地震强度的变化规律。研究结果表明:与水平面夹角约33°的C7号拉索为最大拉力索,其为最不利锚固索;与水平面夹角约36°~38°区域的拉索为最大拉应力索,其为最不利受力索;顺桥向输入时拉索地震反应较横桥向输入时更不利。研究结果可供斜拉桥抗震设计时参考。

组合减隔震装置在非对称独塔斜拉桥抗震设计中的应用

建立太城溪特大桥有限元模型,采用非线性时程分析法研究组合减隔震装置对非对称独塔斜拉桥过渡墩横桥向的隔震效果。结果表明:与常规球型钢支座相比,铅芯橡胶支座使过渡墩墩底横向弯矩减少39%~52%,墩顶横向位移增加41%~79%;组合减隔震装置使过渡墩墩底横向弯矩减小36%~58%,墩顶横向位移减小33%~48%;组合减隔震装置降低了地震响应且避免结构发生过大位移,可以用于解决非对称独塔斜拉桥的横桥向抗震问题。

近断层地震动下可更换构件铁路高墩易损性分析

针对一种具有可更换构件的新型铁路高墩结构,以各排可更换杆件为研究对象,对其进行地震易损性对比分析。借助OpenSees平台建立全桥有限元动力分析模型,以可更换构件的材料应变作为损伤指标,地震动峰值加速度为地震动强度指标,输入294条地震波,进行增量动力分析(IDA),得到各排可更换构件的IDA曲线簇。结合定义的极限状态,建立易损性曲线,获得各排可更换构件处于各极限状态的超越概率,并从概率角度对可更换构件高墩结构的抗震性能进行评价。研究结果表明:次要可更换构件的斜腹杆随着地震强度的增大逐排屈服,实现了分级耗能;各排斜腹杆在9度罕遇地震动作用下超越可修复性损伤状态的概率不足11%,处于基本完好状态概率较大。9度巨震作用下墩顶及墩中区域的1至5排斜腹杆超越可修复性损伤的概率均大于70%,大概率处于严重损伤状态。次要可更换构件中的竖杆及弦杆在9度巨震作用下,承担的地震内力较小,故始终保持弹性状态。主要结构墩柱在9度巨震作用下大概率处于可修复性损伤状态,发生严重损伤状态的概率不足1%。可更换杆件集中结构塑性损伤,达到预期的损伤控制效果,满足可恢复性高墩结构基于强震作用下主要结构无损伤或低损伤,次要构件可更换或可修复的设计理念。

设置负刚度装置的大跨长联连续梁桥地震反应分析

为完善大跨长联连续梁桥的减震和隔震技术,提出将负刚度装置引入某带有摩擦摆支座隔震的大跨长联连续梁桥中组成新型减震和隔震系统。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,输入7条地震波进行了非线性时程分析,考查了新型减震和隔震系统下桥梁结构的地震反应,探究了负刚度系统对大跨长联隔震连续梁桥地震反应的影响。研究结果表明:在大跨长联隔震连续梁桥上布置负刚度装置后,梁体加速度及支座位移可被有效降低,近场地震动下的墩底内力也有明显减小。负刚度装置可有效提高大跨长联摩擦摆支座连续梁桥的抗震性能,负刚度装置也适用于大跨长联隔震连续梁桥。

远场长周期地震动对自复位高墩地震反应的影响

为研究远场长周期地震动对自复位高墩地震反应的影响,开展了自复位高墩的缩尺模型振动台试验,得到了模型桥墩在远场长周期地震动和普通地震动作用下的墩顶位移和墩底弯矩等数据,并对已有的两弹簧数值分析模型的有效性进行了验证。以一座典型的桥梁为例,利用已验证的两弹簧模型基于OpenSees平台建立数值分析模型,进行了自复位高墩在远场长周期地震动下的地震反应分析,并与普通地震动结果进行了比较。结果表明:自复位桥墩在远场长周期地震动下仍具有较好的隔震性能,但远场长周期地震动会增大自复位高墩地震反应;自复位桥墩在远场长周期地震动下的墩顶位移和墩底提离位移及转角都明显大于普通地震动,而墩底弯矩则与普通地震动相差不大。在自复位高墩的应用中,需要注意远场长周期地震动带来的不利影响。

新型可更换构件铁路桥墩振动台试验研究

为研究新型可更换构件铁路桥墩的抗震性能,设计并制作了一个缩尺比例为1/10桥墩模型,选择3条合适的强震地震波,对模型桥墩进行了地震模拟振动台试验。研究了模型桥墩各杆件在各级水准地震作用下的加速度反应、位移反应及次要构件的应变变化规律。试验研究表明:设防地震下横向联结系可以使主要构件和次要构件协同工作,横向联结系中腹杆受力最为不利是耗能杆件,上下弦杆受力较小、不易作为耗能杆件。新型可更换构件铁路桥墩能够实现在小震下保持弹性,强震时利用次要构件耗能减震、保证主要构件震后基本无损伤。

可更换构件铁路高墩抗震性能研究

针对一种具有可更换构件的新型铁路高墩结构,基于增量动力分析(IDA)曲线,采用易损性分析方法对9度设计、罕遇与极罕遇害地震时的墩柱进行抗震性能评价。建立全桥有限元分析模型,以墩柱最不利截面材料的应变为损伤指标,以地面峰值加速度为地震动强度指标,以357条地震波作为地震动输入,IDA分析得到墩柱关键截面的IDA曲线簇及50%、84%和16%的分位曲线,结合定义的极限状态,探讨墩柱可能产生的塑性铰数量及位置,并通过绘制易损性曲线,对墩柱进行基于概率性的抗震性能评估。研究结果表明:可更换构件在桥墩中首先屈服,从PGA=0.5g时开始屈服、到PGA=1.1g时全部屈服,可更换构件实现分级耗能;墩柱在9度罕遇地震作用下处于基本完好的概率约为99.5%;可更换构件新型高墩结构在9度巨震下超越基本完好状态的概率为36.6%,超越可修复性损伤状态的概率不足1%,其大概率处于可修复性损伤状态。可更换构件高墩抗震性能优越,在近断层地区具有较好的应用前景。

Seismic response of rocking isolated railway bridge piers with sacrificial components

In this study, sacrificial components were incorporated into self-centering railway bridge piers to improve the lateral stiffness. The seismic response of this new detail was investigated. First, the method to compute the initial uplift moment of the self-centering pier is given. In addition, shaking table tests were conducted on a free-rocking pier without sacrificial components, which was used to validate a two-spring numerical model. Good agreement was obtained between the numerical results and experimental data. Furthermore, the validated model was employed to investigate the influence of sacrificial components on the seismic response of rocking piers. For this purpose, two models were developed, with and without sacrificial components. Nonlinear response history analysis was then performed on both models under three historical motions. The results showed that compared to the one without sacrificial components, the rocking pier with sacrificial components has comparable displacement at the top of the pier, and maximum uplift moment at high amplitude motion. Therefore, incorporating sacrificial components into the rocking pier can increase the lateral stiffness at service load and low amplitude frequent earthquakes but can produce comparable response at high seismic excitation. These results provide support for performance-based seismic design of self-centering rocking piers.

拉索松弛对独塔斜拉桥地震反应的影响

为了研究地震作用下斜拉桥拉索松弛对独塔斜拉桥地震反应的影响,采用桁架单元模拟斜拉索,考虑拉索垂度效应,基于OpenSees平台建立了考虑成桥状态及拉索松弛的全桥有限元模型,输入5条强震记录进行地震反应分析,探究了斜拉索松弛及其对斜拉桥关键部位地震反应的影响规律。结果表明:强震作用下独塔斜拉桥的拉索会产生松弛,但拉索松弛现象仅发生在部分边索中;拉索松弛对最不利受力索的位置和最大索拉力影响可以忽略;拉索松弛可能增大也可能减小结构地震反应,其影响不可忽略且受地震动的频谱影响较大,应引起设计的注意。

新型高墩地震损伤演化规律研究

为研究新型高墩在强震作用下的损伤规律,以一座以铁路连续刚构桥为背景,基于OpenSees平台建立全桥模型,考虑高阶振型,采用增量动力分析方法(IDA),以应变作为损伤指标,探究了地震作用下新型高墩墩身部位地震损伤形成和演化规律,考查了钢桁架连梁对新型高墩墩身部位地震损伤影响。结果表明,弹性钢连梁和弹塑性钢连梁均是墩底先出现塑性区,随着地震动强度的增大,墩身中部进入塑性区、墩底塑性区向墩中扩展,墩中塑性区分别向墩底和墩顶扩展。弹塑性钢连梁能在一定程度上抑制墩身塑性区的产生与扩展,可显著提高高墩的抗震性能。

金属橡胶支座压缩性能试验研究

为解决板式橡胶支座的耐久性问题,提出一种金属橡胶支座.介绍了金属橡胶支座的构造、工作原理及特点,给出了金属橡胶支座的关键技术参数,设计并加工了3组7个金属橡胶支座试件.在500kN电子万能试验机上进行了压缩试验,获得了金属橡胶支座的加(卸)载力-位移关系.考察了密度与形状系数对压缩曲线的影响,采用函数表达式对压缩曲线进行了参数识别.结果表明:金属橡胶支座的加载压缩曲线可分为:软特性阶段与硬特性阶段两个阶段;支座压缩曲线中的软特性阶段随着密度的增大而减小;支座的竖向耗能能力随密度的增大而减小;理论计算的加卸载曲线和试验数据吻合较好.研究成果对金属橡胶支座的竖向承载能力设计具有一定的指导作用.