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。

基于韧性的摇摆桥墩桥梁抗震研究综述

实现地震后桥梁使用功能的快速恢复即基于韧性的桥梁抗震设计方法是当前研究的热点方向.首先,总结基于韧性的抗震设计理论,从摇摆体系、自复位体系、可更换构件体系3个方面展开详细探讨,介绍易损性分析曲线研究的发展阶段.然后,回顾国内外摇摆桥墩可恢复性设计理论与试验研究现状,分析摇摆桥墩在震后恢复上的优势及不同摇摆桥墩体系的特点.最后,归纳现有的计算分析方法,讨论当前基于韧性的桥梁抗震设计研究中的不足和发展趋势.研究结果表明:基于韧性的抗震设计理念及摇摆桥墩在桥梁震后恢复上的优势已得到普遍认可,但仍存在一些问题需进一步研究;基于韧性抗震设计亟待实现韧性指标量化及多道设防指标的梯度控制;摇摆桥墩的关键构造问题有待解决,应注重新材料、新构造形式的开发;现有分析模型忽略了增加耗能装置后的体系阻尼的变化,需进一步研究桥梁抗震性能与韧性耗能复位装置的交互作用.

摇摆桥墩的研究综述

桥梁作为交通生命线的枢纽工程,是交通基础设施震后功能恢复的关键所在。摇摆结构可将地震损伤控制在摇摆界面以避免主体结构破坏,且具有较好的抗震性能和自复位能力,因此在提高结构震后恢复能力方面具有显著优势。首先简要介绍摇摆桥墩的基本原理,回顾了摇摆理念在桥梁工程应用的发展历史,综述了摇摆桥墩的研发和试验研究、摇摆桥墩与上部结构的连接方式、摇摆结构分析方法等发展现状,总结了目前摇摆桥墩研究的不足和发展趋势。

熔断机制在摇摆桥墩连续刚构桥中的应用

研究目的:为了提高连续刚构桥的抗震能力,通过在桥墩墩底横桥向增加一对钢筋混凝土构件(称之为"保险丝"),提出一种具有熔断机制的摇摆桥墩连续刚构桥新型结构体系。研究结论:(1)通过对该结构体系与传统墩底固结结构体系在多遇地震、设计地震和罕遇地震作用下,结构地震需求、桥墩损伤情况的对比,发现该新型结构体系具有良好的抗震性能;(2)通过研究"保险丝"的混凝土破坏和钢筋滞回曲线的情况,说明在强震作用下"保险丝"发生破坏(称之为熔断),其耗能作用和熔断后桥墩摇摆都减少了输入到结构中的地震能量,起到了很好的减震效果,使得桥梁在多遇地震作用下几乎不发生损伤,在设计地震和罕遇地震作用下把损伤程度降到最低、损伤范围减到最小;(3)研究成果对提高强震作用下桥梁的抗震性能具有指导意义。

近场脉冲型地震作用下黏滞阻尼器对双柱摇摆桥墩减震作用研究

为研究黏滞阻尼器对双柱摇摆桥墩在近场脉冲型地震作用下的减震作用,基于摇摆刚体假定和拉格朗日方程,对采用黏滞阻尼器的双柱摇摆桥墩进行实例分析、参数分析和抗倒塌能力分析。研究结果表明:黏滞阻尼器可减小双柱摇摆桥墩的地震位移反应,且作为速度型阻尼器,其在近场脉冲型地震作用下的减震效果比远场地震更为显著;在近场脉冲型地震作用下,随着黏滞阻尼器的无量纲阻尼常数(λ)的增大和阻尼指数(nv)的减小,桥墩位移反应随之变小,当阻尼器失效位移大于120mm时桥墩峰值位移反应无显著变化;黏滞阻尼器的减震作用可有效提高双柱摇摆桥墩在近场脉冲型地震作用下的抗倒塌能力,λ越大和nv越小,桥墩的抗倒塌能力越强。

摇摆桥墩的数值模拟方法研究综述

针对摇摆桥墩在地震作用下的摇摆行为及各组成构件的工作情况,对目前摇摆桥墩数值模拟方法的研究现状及研究成果进行综述,包括自复位组件、耗能组件、墩柱及摇摆行为的各种实现方式,分析了各模拟方法的适用范围及模拟要点,为拓展摇摆桥墩的数值模拟方法提供借鉴。

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。

自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力数值仿真分析

自复位摇摆桥墩是震后功能可恢复桥梁的重要结构形式。为研究不同设计参数对自复位摇摆双柱式桥墩抗震性能的影响,以我国首座自复位摇摆桥梁(跨京台高速洪士庄桥)为研究对象,推导了自复位摇摆双柱式桥墩的承载力计算公式;采用ABAQUS有限元软件建立自复位摇摆双柱式桥墩数值仿真模型,基于前期完成的拟静力试验结果验证模型的准确性。考虑预应力筋初始张拉力、耗能部件截面积、预应力筋配筋率等设计参数,分析了其对自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力的影响规律。研究结果表明:预应力筋初始张拉力和配筋率增加,桥墩最大抗侧承载力增大,残余位移减小,耗能能力无明显变化;耗能部件截面积增加,桥墩最大承载力、残余位移以及耗能能力均有明显增大。参数分析表明自复位摇摆桥墩可同时具有良好的耗能能力和较小的残余位移,桥墩最大偏移率达4%时残余偏移率为0.56%,此时预应力筋配筋率为0.26%,初始张拉控制应力为极限强度的0.4倍,耗能部件对墩柱水平承载力贡献率为44.4%。研究成果可为自复位摇摆双柱式桥墩抗震能力设计和评估提供参考。

近断层地震动下摇摆-自复位桥墩连续梁地震反应

为讨论近断层地震动下摇摆-自复位(Rocking Self-Centering,RSC)桥墩连续梁的地震反应及其抗震优缺点。基于OpenSees有限元分析平台讨论了RSC桥墩三维建模方法,通过对6个试验构件的模拟,比较模拟与试验桥墩滞回曲线、预应力筋最大应力等指标,验证了模型准确性。建立设置RSC桥墩和普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩的上部结构相同的两座连续梁桥,输入3组含有强速度脉冲的近断层地震波进行非线性动力时程分析,对比其抗震性能。结果表明:在0.4 g近断层地震动下,RSC桥墩与普通RC桥墩相比,RSC桥墩的最大位移角为普通RC桥墩的78.1%~97.6%,墩底曲率延性系数仅为普通RC桥墩的24.0%~34.0%,减小了桥墩的最大变形,也减轻了桥墩地震损伤,不利的一点是使用RSC桥墩会导致支座位移增大。RSC桥墩震后的残余位移较小,且预应力筋处于弹性受力阶段,为实现震后桥梁功能的快速恢复提供了条件。

摇摆式预应力混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法研究

根据基于性能抗震设计的思想,提出一种摇摆式预应力混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法。该方法根据桥梁抗震设防水准确定桥墩的损伤水平,并考虑墩底接缝区变形的影响计算桥墩的目标位移;借助非弹性位移谱计算桥墩的位移需求。摇摆式预应力混凝土桥墩在墩底接缝区设置耗能钢筋或外部耗能装置来耗能地震能量,利用无粘结后张拉钢束在接缝处产生的摩擦力提供剪切抗力,合理设计预应力钢束的初张力,使其在地震荷载作用下保持在弹性范围内,保证其良好的复位能力。通过与已有的设计方法相比,评估了所提出的设计方法的可靠性。研究结果表明:与已有的设计方法相比,用所提出的摇摆式预应力混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法的设计结果与非线性时程分析结果的相关性更好。

采用SMA拉索的摇摆自复位桥墩试验研究与动力分析

为了提升桥梁结构的抗震韧性,提出了一种采用超弹性形状记忆合金(SMA)拉索的摇摆自复位桥墩。首先对单根SMA拉索进行变幅循环拉伸试验,随后以SMA拉索的预张拉应力为试验参数,针对新型桥墩开展缩尺模型试验,详细考察了试件的力学行为与损伤模式,讨论了桥墩的滞回曲线和复位能力;提出了新型桥墩的初步设计建议,并利用OpenSees进行非线性时程分析验证。研究表明:得益于摇摆机制以及SMA拉索良好的可恢复变形性能,桥墩试件在4%滑移率内几乎不产生损伤;与传统梁桥相比,采用SMA拉索桥墩的新型梁桥可有效降低结构残余变形以及桥墩本身的损伤。虽然最大变形有所放大,但仍处在可控范围。

摇摆隔震桥墩研究综述

桥梁结构一旦在地震中遭受破坏势必带来巨大的经济损失,且严重影响灾后救援工作。摇摆隔震桥墩作为一种新兴抗震体系具有良好的抗震性能与震后自复位能力,是目前桥梁抗震领域的研究热点之一。首先简要介绍了摇摆桥墩的结构组成与减震机理,综述了国内外摇摆隔震桥墩的相关实验研究,总结了目前研究可改进之处以及未来发展趋势。

新型基底摇摆隔震桥墩柱抗震性能试验与分析

基底隔震结构已成为当前国际上研究新型结构抗震性能和开发新型结构抗震体系的热点方向之一。该研究提出了一种通过增设加台和高阻尼橡胶垫块的新型基底摇摆隔震桥墩模型,介绍了该新型基底摇摆隔震桥墩的具体构造细节,阐述了该桥墩的减隔震原理和优点,并通过振动台试验得出了该新型桥墩能够显著降低墩顶水平加速度和墩底应力值,但同时会增大墩顶水平位移的结论;过大的墩顶水平位移会影响桥墩的正常使用极限状态,以墩顶水平位移为设计控制要点,考虑墩柱在实际摇摆提离过程中的加台受压区宽度和墩柱弯曲变形的影响,通过静力平衡条件建立墩顶水平地震力F与墩顶水平提离位移δ的力学关系式,并引入位移动力放大系数β考虑实际桥墩墩顶动力位移Δ,使得其墩顶水平位移Δ满足铁路桥梁规范墩顶允许位移5 L数值要求。通过对理论推导关系式进行验证,结果表明理论推导的力学关系式和数值模拟结果整体上符合较好,并分析了存在偏差的主要原因。

外置耗能器与复位器的自复位桥墩抗震性能研究

为发展易于实现损伤控制的摇摆自复位(rocking self-centering,RSC)桥墩,选取防屈曲支撑(buckling restrained brace,BRB)作为外置耗能器,弹簧作为外置复位器,设计外置防屈曲支撑与弹簧的自复位(BS-RSC)桥墩。利用Opensees有限元软件建立BS-RSC桥墩的数值分析模型,并验证模型正确性,分析BRB屈服强度、弹簧刚度及轴压比对BS-RSC桥墩滞回性能的影响;进行动力时程分析,研究不同参数对最大墩顶位移角、残余位移角的影响。研究结果表明:BS-RSC桥墩滞回曲线饱满,BRB可显著提升BS-RSC桥墩的耗能能力,控制弹簧刚度可在不影响整体耗能下控制残余位移;进行动力时程分析,在罕遇地震下,桥墩残余位移角处于低值,最大墩顶位移角随着BRB屈服强度的提高而显著降低,说明BS-RSC桥墩是各构件协调工作、功能明确且具有优秀耗能能力与自复位能力的新型桥墩。

摇摆-自复位桥墩的多弹簧模型建模方法研究

为探讨摇摆-自复位(Rocking Self-Centering,RSC)桥墩的滞回行为并为其数值建模提供依据,基于OpenSees地震分析平台发展此类结构的多弹簧模型并开展系统性讨论。结合RSC桥墩的构造特点发展多弹簧模型的整体建模思路,着重对比三种弹簧分布(基于Gauss积分和Lobatto积分的分布及均匀分布)模式下RSC桥墩的整体力-位移响应,对弹簧所需设置个数进行优化分析,并讨论了弹簧刚度的校准过程。最后,基于现有研究的5个RSC桥墩试件的试验结果,通过对比滞回曲线,发现所建议的模拟方法可较为准确地模拟RSC桥墩在拟静力荷载下的刚度、强度、滞回行为及残余位移。

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.

新型摇摆及自复位桥墩抗震性能分析

为了更好的满足工程需要,选择更加合适的耗能减隔震装置。在传统的重力式钢筋混凝土桥墩模型的基础上,提出了两种分别设置高阻尼橡胶垫块和SMA杆加高阻尼橡胶垫块的新型摇摆及自复位桥墩模型。

隔震体系对摇摆自复位高墩工作性能的影响

为提高摇摆自复位高墩的隔震性能,将铅芯橡胶支座及液体黏滞阻尼器与摇摆自复位高墩进行组合形成T 2种不同的隔震体系。以2种不同强度下的3条地震动作为输入,采用OpenSEES利用动力时程分析方法对各隔震体系的地震动响应进行了分析。通过对墩身最大剪力、墩身最大弯矩、墩顶最大位移和主梁最大位移的隔震指标及最大墩梁相对位移绝对值的对比发现:墩梁固结条件下在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系2和墩、梁间设置铅芯橡胶支座且在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系3分别适合作为软土场地和硬土场地上修建的摇摆自复位高墩的隔震体系。

近断层地震动下摇摆-自复位桥墩地震反应分析

为讨论摇摆–自复位(Rocking Self-Centering,RSC)桥墩在近断层地震动下的地震反应,基于Open Sees数值分析平台建立了RSC桥墩抗震分析模型。同时建立了普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩,配置竖向无粘结预应力筋(Unbonded Prestressed Reinforced Concrete,PRC)桥墩的抗震分析模型作为对比。对各模型输入近断层地震动记录,进行增量动力分析。以墩顶最大位移角、残余位移角、预应力筋最大应力为考察目标,对比分析了不同墩高(剪跨比分别为2、4和6)、不同桥墩类型(RSC、RC和PRC桥墩)时各桥墩的地震反应。结果表明:随着耗能钢筋配筋率增加,RSC桥墩墩顶最大位移角和预应力筋最大应力均减小;RSC和PRC桥墩均可有效减少桥墩震后残余位移角。耗能钢筋配筋率与PRC桥墩纵筋配筋率接近的RSC桥墩,两者的最大墩顶位移角、残余位移角和预应力筋应力水平均接近。无论是RSC桥墩还是PRC桥墩,当剪跨比大于等于6.0时,易发生预应力筋失效。为避免预应力筋失效引起RSC桥墩产生过大的墩顶残余变形,RSC桥墩中耗能钢筋配筋率不宜低于0.75%。

摇摆-自复位桥墩抗震性能数值建模方法研究

为研究摇摆-自复位(Rocking Self-Centering,RSC)桥墩的抗震性能并为此类结构的抗震数值分析提供依据,基于OpenSees的纤维梁柱单元讨论了RSC桥墩地震反应的数值建模方法.通过对摇摆接缝处分别采用只受压不受拉的零长度弹性弹簧(模型1),零长度截面转动弹簧+只受压不受拉的混凝土本构模型(模型2),零长度截面转动弹簧+只受压不受拉弹性本构模型(模型3),建立了RSC桥墩3种不同的抗震数值分析模型.结合其他学者完成的4个悬臂式单柱墩和1个双柱墩的拟静力加载试验结果,以各RSC桥墩的滞回曲线、接缝处受压区高度、预应力筋应力和摇摆变形比例等为依据,讨论了各模型的模拟精度.结果表明:模型1和模型3对试件滞回曲线、试件初始刚度、接缝处受压区高度、预应力筋应力、摇摆变形比例等的模拟结果均与试验结果吻合较好.模型2模拟得到的试件初始刚度和预应力筋应力偏大,接缝处受压区高度小于试验结果.在此基础上,对3种数值模型进行了动力时程分析,各模型模拟得到的墩顶位移时程曲线、墩底最大剪力等基本一致.最终建议以模型1或模型3的建模方法模拟摇摆-自复位桥墩的抗震性能.