近场脉冲型地震作用下附加支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能研究

为了解决摇摆桥墩承载力和耗能能力不足的问题,该文提出一种附加人字形支撑的双柱式摇摆桥墩结构,支撑为纯耗能支撑或自复位耗能支撑,支撑通过连接装置安装在双柱式摇摆桥墩的盖梁和承台之间。为了研究新型附加人字形支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能,对其进行拟静力分析,将双柱式现浇桥墩和双柱式纯摇摆桥墩作为对比模型,研究附加纯耗能支撑和自复位耗能支撑双柱式摇摆桥墩的滞回性能;分别对这四种桥墩结构进行动力时程分析,探究这四种桥墩在近场对称脉冲、近场非对称脉冲和远场无脉冲地震动作用下的动力响应。研究结果表明:附加支撑的双柱式摇摆桥墩中的墩柱仍具有摇摆机制,可有效避免墩身出现塑性铰发生严重的损伤破坏,同时附加的支撑可以显著提高桥墩的承载能力和耗能能力,有效降低桥墩结构的位移响应,特别是自复位耗能支撑还可额外为桥墩提供自恢复力,有效提高结构的抗震性能。

带耗能系梁的摇摆自复位双肢薄壁高墩抗震性能研究

探索适用于山区连续刚构桥双肢薄壁高墩的摇摆自复位体系,设计和制作了混凝土双肢薄壁高墩(RCDTP)和带耗能系梁的摇摆自复位双肢薄壁高墩(RSDTP)构件.开展双肢薄壁墩的拟静力试验,研究破坏形态、滞回特性、骨架曲线、耗能能力、延性和残余位移等.与RCDTP墩进行比较,结果表明耗能系梁的设置和摇摆体系的设计能够显著提高墩柱抗震性能、减轻损伤程度.RSDTP墩极限承载力、延性系数、耗能能力分别提高了51.4%、12.31%、42%,RSDTP墩的残余位移降低了24%.预应力钢筋的设置为桥墩提供了自复位能力,有效地控制桥墩的震后残余位移,保障了双肢高墩的震后可恢复性.

设置BRB桥梁排架墩基于位移抗震设计方法

基于"保险丝"和"损伤控制"的抗震设计理念,提出在桥梁双柱式排架墩中通过设置屈曲约束支撑(BRB)以提高其横桥向抗震性能的构想。首先从获得"抗震能力"的角度对设置BRB桥梁排架墩的抗震设计参数进行系统性分析,推导出与剪跨比和墩柱间距与直径(边长)比相关的BRB核心段最大和最小长度取值范围;再从求解"地震需求"角度建立了设置保险丝的(SDOF)主结构体系弹塑性反应谱基本方程,分析该体系的非线性地震反应一般规律;然后,基于体系的"抗震能力"和"地震需求",发展了设置BRB的桥梁排架墩基于位移的抗震设计方法,并结合一个具体桥梁排架墩实例说明建议设计方法的可行性。

设置BRB的桥梁排架墩抗震性能参数分析

汶川大地震中,桥梁双柱式排架墩遭到了严重的破坏,其抗震问题被广泛关注。作者基于结构"保险丝"的损伤控制理念,在双柱式桥梁排架墩中设置屈曲约束支撑(BRB),以提高横桥向的抗震性能。建立了考虑墩柱弹塑性、梁体与挡块碰撞和支座滑动效应的单个排架墩动力分析模型,通过输入远场地震动、具有向前方向性效应和滑冲效应的近断层地震动进行非线性地震反应时程分析,研究了BRB与排架墩水平刚度比、水平屈服位移比、BRB布置形式和排架墩形式等参数对桥梁排架墩抗震性能的影响。结果表明:设置BRB能有效地减小规则和不规则排架墩的地震损伤,BRB与排架墩水平刚度比和水平屈服位移比的合理取值范围分别为0.5～2.0和0.5～1.5。

岩质边坡桩柱式桥墩的受力分析研究

岩质边坡上桥梁基桩具有承重与阻滑双重功能,其受力性状远比抗滑桩和平地上两侧无坡度的单一倾斜受荷桩要复杂得多。本文在探讨和总结了桩柱式桥礅双排桩的受力特点和计算方法的基础上,采用大型通用非线性有限元分析软件MSC.Marc对其进行数值模拟,建立了岩质边坡桥梁双排基桩三维有限元计算模型,通过计算得到了岩质边坡的应力分布情况。由于桩柱式桥墩桩顶横向连梁对桩顶的约束作用,桩身变形特征也发生了明显变化,桩柱式桥墩前、后两根基桩的侧移曲线均有桩顶弹嵌的特征,使得桩身受力更加合理,对桩身材料强度的要求相对有所降低;此外,以该模型为基础,分别分析了基桩间距变化、桩体刚度变化、嵌岩深度变化及桩周岩(土)体性质变化对桩柱式桥礅双排桩受力及位移的影响,其计算结果可用于指导岩质边坡桥梁基桩的设计及施工。

摇摆-自复位双层桥梁排架墩抗震体系研究

为实现摇摆-自复位(Rocking Self-Centering,RSC)双层桥梁排架墩的地震损伤控制设计和震后功能快速恢复,结合外置角钢、耗能钢筋、无黏结预应力筋设计了仅上层摇摆(模型1)、仅下层摇摆(模型2)以及双层均摇摆(模型3)的3种RSC双层排架墩。同时设计了一个普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)双层排架墩(模型4)作为参考。建立了不同排架墩的抗震数值分析模型,并结合1个RSC单层排架墩的拟静力试验结果验证了建模方法的准确性。定义了RSC双层排架墩在强震下的失效准则,分析了近断层地震动下各双层排架墩的地震反应。结果表明:与普通RC双层排架墩相比,各RSC双层排架墩基本自振周期显著增大。PGA为0.1g时,RSC双层排架墩的角钢屈服并耗能。PGA为0.4g时,普通RC双层排架墩的层间残余位移角为0.82%,RSC双层排架墩的层间残余位移角接近0,且各RSC双层排架墩中预应力筋均未屈服;除模型1中的外置角钢未被拉断破坏外,其余模型中的角钢均被拉断。模型4下层桥墩截面的曲率延性系数远大于模型1下层(非摇摆层)桥墩以及模型2上层(非摇摆层)桥墩截面的曲率延性系数值。

山区桥梁双柱式桥墩设置BRB的减震效果研究

为增强山区桥梁双柱式桥墩的横向抗震能力,尝试采用一种新型的耗能减震构件,即在双柱式桥墩之间设置防屈曲支撑(Buckling-Restrained Braces,BRB),并通过数值分析手段研究其减震效果。考虑双柱式桥墩的规则性和BRB布置形式,利用SAP2000软件建立含BRB的双柱式桥墩横向分析模型。采用谱分析和非线性时程分析,得到双柱墩小震(线弹性)和大震(弹塑性)作用下的内力和变形。引入减震率和残余位移角两个参数,通过增量动力分析方法,进一步验证BRB对双柱式桥墩抗震能力的提升作用。结果表明,小震下BRB可减轻规则与非规则双柱式桥墩承受的地震力,但会一定程度增加基础剪力,大震下BRB能够有效减小桥梁墩柱最大塑性变形并控制其残余位移角。

摆式惯容-零二次刚度自复位阻尼器并联加固双柱墩抗震性能研究

提出一种由摆式惯容(PI)和零二次刚度自复位阻尼器(ZSCD)并联组成的新型阻尼系统(IZSCD),用以加固钢筋混凝土双柱墩,以减轻自复位支撑加固对双柱墩桥基底剪力及加速度的不利影响。通过对IZSCD加固结构单自由度线性化系统的卷积积分和数值时程分析,提出并验证了含惯容系统位移反应谱。基于该反应谱,用直接基于位移设计(DDBD)方法对IZSCD加固双柱墩进行抗震设计,并用弹塑性时程分析验证了设计结果。进而研究了惯质比和杠杆放大比等对加固结构抗震性能的影响。结果表明,所提出IZSCD能有效减小自复位加固双柱墩桥的加速度和基底剪力。该研究提出了一种兼顾位移、加速度和基底剪力的双柱墩自复位加固技术,并为该类加固结构的抗震设计提供指导。

设置横系梁对双柱墩地震反应的影响

为研究设置横系梁对混凝土双柱墩横桥向地震反应的影响,基于Open SEES有限元软件,建立了无系梁以及考虑系梁的双柱墩有限元模型,应用非线性时程方法,研究了无系梁、假设系梁保持弹性以及容许系梁屈服对于双柱墩地震反应的影响,在此基础上,分析了系梁与立柱屈服强度比、刚度比以及地震动强度等因素的效应。结果表明,与要求系梁保持弹性相比较,容许系梁屈服对于墩顶地震位移需求影响不大,而可以有效减小系梁与立柱节点弯矩以及墩底截面曲率地震需求。容许系梁屈服,利用系梁耗能,不但可以有效减少系梁本身的地震弯矩需求,还可以有效改善系梁与立柱节点和墩底截面的地震反应。

中小跨径典型梁式桥抗震结构体系优化研究

文中以坪汉高速黄泥坪大桥为工程背景,采用CSIBridge 3D桥梁软件建立全桥模型,分析桥梁的墩柱位移、塑性转角、延性墩剪力等抗震性能参数.通过分析同一联相邻和不相邻墩柱刚度差异、相邻联墩柱周期平衡性能的差异对墩柱的刚度均衡及框架进行优化,通过分析柱间横系梁对结构的影响,提出柱间横系梁的优化措施,并验算优化柱间横系梁对结构稳定性的影响.结果表明:对于中小跨径的山区典型梁式桥,以提高其抗震性能为目的,结构体系的优化措施有:保证墩柱的刚度设计尽可能平衡,在桥墩受力满足要求前提下优化柱间横系梁.

半山桥下部结构组合体系抗倾覆稳定性设计

山区道路拓宽工程采用半山桥结构型式,经常面临高墩、盖梁大悬臂等问题,成为下部结构设计过程的一大难题。结合龙泉市凤阳山区通景公路改建工程的桥梁设计,对半山桥盖梁与立柱组合体系的力学性能进行分析。考虑桩周土和基岩上部填土对桩基的影响,计算独柱式与双柱式桥墩发生侧向倾覆时的临界盖梁悬臂长度,得到2种桥墩不同跨数与不同盖梁总长的桩基嵌岩深度设计值。结果表明:盖梁的几何形态是决定嵌岩桩嵌入岩层深度的关键因素,盖梁外悬臂长度的改变将直接导致嵌岩深度显著变化。

考虑屈曲约束支撑的桥梁排架墩抗震性能研究

为进一步提升桥梁双柱式排架墩抗震性能,本研究通过在排架墩中设置屈曲约束支撑对该体系抗震性能进行优化。首先构建与实际工程情况相符合的单个排架墩数值模型,并利用不同类型地震作用对其进行研究,在此基础上,进一步分析了屈曲约束支撑与排架墩刚度比、屈服位移比、屈曲约束支撑布置形式以及排架墩布置形式对其抗震性能的影响。研究结果表明:通过设定屈曲约束支撑可在一定程度上有效地降低排架墩地震损伤,对不同类型排架墩而言,设定屈曲约束支撑减震率范围为30%至80%。屈曲约束支撑与排架墩刚度比和屈服位移比建议取值的合理范围分别为0.5~2.0以及0.5~1.5。

自复位双柱式摇摆桥梁抗震设计方法及工程应用

为发展具有损伤可控特性和自复位能力的摇摆结构新型桥梁抗震体系,对自复位双柱式摇摆桥梁的抗震设计方法及其工程应用进行研究。在摇摆桥墩受力机理和旗帜形滞回分析模型基础上,提出其在消压、屈服和设计极限状态的计算方法,并给出限定残余位移侧移率小于1%的回复能力验算公式。考虑到摇摆桥墩的力学行为和变形特点,提出直接基于位移的摇摆桥梁结构抗震设计方法,给出设计原则及具体的设计步骤,并把该方法成功应用到黄徐路跨线桥梁抗震设计中。在此基础上,数值分析不同设计地震作用下摇摆桥梁结构的性能状态及其性能指标,并介绍了中国首座自复位摇摆桥梁工程——黄徐路摇摆桥梁工程实践,展示了实桥应用中的一些抗震构造细节。研究结果表明:提出的验算公式可为设计计算提供充分的理论依据;E1地震作用下耗能钢筋没有屈服且具有较高的安全储备;在E2地震作用下,随着桥梁发挥摇摆功能,摇摆桥墩刚度减小,地震力增幅变小,有效实现了结构减震功能,且震后桥墩残余位移较小,可忽略不计,实现了结构自复位功能,满足了既定的抗震设计目标。

桥梁双柱式排架墩抗震性能研究进展述评

桥梁双柱墩在国内外中小跨径公路桥梁和城市高架桥中应用非常广泛,但在历次破坏性地震中震害普遍严重。为了揭示桥梁双柱墩在地震作用下的破坏机理,发展具有可恢复功能的防震桥梁双柱墩,实现从双柱墩结构到桥梁工程、再到交通线路乃至整个交通网络的全寿命周期抗震性能设计,对桥梁双柱墩抗震问题的研究进展进行评述。首先总结汶川大地震和国外重大地震中钢筋混凝土桥梁双柱墩的震害情况并分析其特征,主要破坏形式有墩柱的弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏,间系梁的纵向开裂及其与墩柱节点的断裂,盖梁梁体的斜裂缝、冲切开裂及其垫石和挡块的剪裂、剪断、撞碎等。再从抗震性能试验、非线性力学行为及数值模拟、间系梁减震耗能、损伤控制与可恢复功能结构体系、ABC双柱墩及其在强震区的应用问题、抗震加固方法和抗震设计理论等方面对桥梁双柱墩相关的抗震问题研究进展进行系统梳理与评述,进而指出桥梁双柱墩应用与研究中存在的问题。在此基础上,结合当前地震工程领域的主要发展趋势和前沿热点问题,如子结构混合模拟试验、可恢复功能结构和交通系统、多次多灾种耦合作用、全寿命设计、大数据和人工智能等,对双柱墩结构及其桥梁体系未来的研究方向进行展望。

外置角钢摇摆-自复位双柱墩抗震性能分析

针对预制-拼装结构的施工优势、摇摆-自复位结构的抗震优点及角钢的特性,提出含角钢的摇摆-自复位双柱墩和含角钢及耗能钢筋的摇摆-自复位双柱墩。基于OpenSees数值平台建立了这2种双柱墩的精细化数值分析模型,分别结合角钢的循环拉压试验以及摇摆-自复位双柱墩的拟静力试验结果验证了模型的准确性。在此基础上,通过拟静力和动力时程分析,并通过与普通钢筋混凝土双柱墩的对比,揭示了新型摇摆-自复位双柱墩的抗震能力。结果表明:与普通双柱墩相比,摇摆-自复位双柱墩侧向初始刚度减少,自振周期增大;在0.4g近断层地震动下预应力筋始终处于弹性阶段且桥墩震后几乎无残余位移,便于双柱墩的震后功能恢复;外置角钢在0.1g近断层地震动下屈服并开始耗能,在0.4g近断层地震动下可能发生拉断破坏;在摇摆-自复位双柱墩接缝处配制一定的耗能钢筋后(配筋率小于0.4%),可降低墩顶变形,减少预应力筋应力和外置角钢的变形,且摇摆-自复位双柱墩的震后残余位移未明显增加。

基于RSC体系的双层桥梁排架墩地震损伤控制设计

为实现钢筋混凝土(RC)双层桥梁排架墩的地震损伤控制设计,提出将上层桥墩设计为装配式摇摆-自复位(RSC)结构,下层桥墩设计为装配式承插连接,但不发生摇摆反应的双层桥梁排架墩。给出新型排架墩中无黏结预应力筋、耗能角钢等的设计方法。以甘肃省洛塘河大桥非规则双层排架墩为原型,建立普通RC与新型RSC两种双层排架墩抗震数值分析模型,并结合太平洋地震工程研究中心(PEER)完成的RSC排架墩振动台试验结果验证建模方法的准确性。在此基础上,完成RC与RSC排架墩模型在40条近断层地震动下的动力时程分析,对比分析2种排架墩的抗震性能。研究结果表明:RSC排架墩上层桥墩最大层间位移角略大于普通RC排架墩的上层桥墩最大层间位移角,但RSC排架墩下层桥墩最大层间位移角仅为普通RC排架墩下层桥墩最大层间位移角的47%;RSC排架墩上、下层桥墩层间残余位移角仅为普通RC排架墩上、下层桥墩层间残余位移角的2%左右;RSC排架墩可显著降低下层桥墩的地震剪力需求,无黏结预应力筋应力保持弹性,耗能角钢易屈服耗能但未拉断,验证了所建议的双层桥梁排架墩地震损伤控制设计方法的合理性。