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。

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。

基于摇摆机械铰连接的自复位桥墩抗震性能研究

为减少自复位桥墩的摇摆界面可能由压力造成的混凝土压碎和预应力损失,同时加快预制桥墩与承台的连接速度,基于某采用钢筋提供耗能能力及恢复力的可恢复铰(简称RH铰),提出一种新型摇摆机械铰。该新型摇摆机械铰(简称摇摆铰)首先将RH铰的普通钢筋改为无粘结预应力筋和U形耗能器,分别为桥墩系统提供自复位能力和耗能能力,形成球形机械铰(简称球形铰),再增大支点与墩中心线的距离使重力提供稳定力矩。对该摇摆铰与球形铰结构构造进行对比分析,推导摇摆铰桥墩和球形铰桥墩的荷载~位移关系,对比2种桥墩的滞回曲线,并以某四跨连续梁桥为背景,采用非线性时程分析方法对比分析采用摇摆铰和球形铰桥梁的地震响应。结果表明:摇摆铰桥墩的滞回曲线呈典型的旗帜形,而球形铰桥墩的滞回曲线可用弹塑性曲线表示;在相同条件下,摇摆铰桥墩比球形铰桥墩具有更强的水平承载能力和自复位能力;与采用球形铰的桥梁相比,采用摇摆铰的桥梁中墩处主梁峰值位移更大,中墩墩底剪力相近,残余位移更小,自复位性能更优。

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。

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。

外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩抗震性能分析与研究

【目的】为了提高自复位桥墩的抗震性能,本研究在传统自复位桥墩的基础上,更改接头组件的连接方式,并在桥墩外部设置可更换的扇形铅黏弹性阻尼器,提出外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩。【方法】采用数值模拟方法,分别建立传统自复位桥墩、嵌入式自复位桥墩和外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩。在验证传统自复位桥墩模拟方法可行性的基础上,分别对嵌入式自复位桥墩和外置扇形铅黏弹性阻尼器的自复位桥墩进行低周循环加载,研究二者的抗震性能。【结果】结果表明:将平齐接头更改为嵌入式接头有利于提高自复位桥墩的承载力和耗能能力,提供更为可靠的传剪机制。【结论】将扇形铅黏弹性阻尼器设置在嵌入式自复位桥墩两侧,累计耗能较传统自复位桥墩有显著提高,抗震性能优越,对自复位桥墩实现“韧性抗震”设计具有一定借鉴意义。

外置可更换耗能器的预制拼装自复位桥墩抗震性能试验研究

基于抗震韧性设计理念,结合装配式结构技术,发展了具有外置可更换耗能器的自复位预制拼装桥墩结构。开展了两组自复位预制拼装桥墩模型结构的拟静力往复加载试验研究。介绍了往复加载过程中自复位预制拼装桥墩的受力行为及损伤过程,分析了其力-位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、预应力筋张拉力变化、残余位移、接缝开口、墩底受压区高度等抗震性能。结果表明:外置耗能部件具有良好的可更换性和耗能能力,更换前后桥墩的抗震性能基本一致。自复位桥墩力-位移滞回曲线呈现出明显的"旗帜"型形态,残余位移较小,具有良好的自复位能力。随墩顶水平位移增加,墩柱内轴向预应力筋张拉力基本呈线性增加,更换耗能器后预应力筋的预应力损失减小。墩底外包钢管有效地抑制了局部混凝土压溃,钢管没有出现局部外鼓等损伤破坏。

自复位桥墩的内禀侧移刚度和滞回机理研究

自复位桥墩由承重组件、自复位组件、耗能组件以及接头(如嵌合式接头)构成,具有良好的震后修复性和震后残余变形小的特点。对其承载力、侧移刚度以及滞回性能等力学特性进行理论分析,推导自复位桥墩的侧移刚度与承重组件墩身刚度、自复位组件刚度、耗能组件刚度、初始预拉力和桥墩几何尺寸的理论关系式;提出反映自复位桥墩内在固有属性的内禀侧移刚度概念及其计算式;自复位桥墩侧移刚度的上限为墩身刚度,下限为内禀侧移刚度。自复位桥墩的滞回曲线为扇片状,是耗能组件的耗能滞回性能与自复位组件的弹性复位性能叠加的结果。基于性能设计原则,并考虑合理控制震后残余变形,初步提出自复位桥墩的三步设计方法。

近远场地震作用下自复位桥墩高阶振型效应研究

为了研究近、远场地震作用下高阶振型对自复位桥墩地震响应的影响,以大瑞铁路漾濞1号特大桥为工程背景,基于OpenSees软件建立该桥18号桥墩(高58 m,采用自复位桥墩)的地震反应分析模型,输入近、远场地震动,通过增量动力分析法分析墩身塑性铰的形成及发展规律,并通过模态分解法计算前3阶振型对墩身塑性铰弯矩和墩顶位移的影响。结果表明:自复位桥墩并未消除高阶振型的影响,近场地震作用对结构第2阶振型的效应更加显著;墩身塑性铰主要分布在结构中部区域,且由第2阶振型控制,墩底不出现塑性铰;墩顶水平位移主要由第1阶振型控制,且远场地震作用更显著。

附加软钢阻尼器装配式自复位桥墩的抗震性能

为了提高装配式自复位桥墩的耗能能力,在装配式自复位桥墩上附加一种外置软钢阻尼器,形成外置软钢阻尼器装配式自复位桥墩。采用数值模拟的方法,建立了3个具有不同屈服强度的外置软钢阻尼器装配式自复位桥墩模型及1个传统装配式自复位桥墩模型。在验证传统装配式自复位桥墩模型正确性的基础上,通过对比上述模型在低周往复荷载下的模拟实验结果,研究外置软钢阻尼器装配式自复位桥墩的抗震性能。结果表明:相比传统装配式自复位桥墩,附加软钢阻尼器装配式自复位桥墩滞回曲线更加饱满,耗能能力、承载力有很大提升,残余位移有所增加,但满足残余位移角小于1%的限值;随着软钢阻尼器屈服强度的增加,外置软钢阻尼器装配式自复位桥墩的残余位移有所减小,在加载位移小于25 mm时耗能能力有所下降,但总体耗能能力有所提高。

耗能钢筋配筋率对自复位桥墩抗震性能影响分析

利用ABAQUS建立桥墩模型,探究了0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%六种不同耗能钢筋配筋率下自复位桥墩抗震性能。结果表明:耗能钢筋配筋率对桥墩的耗能能力有显著影响,随着耗能钢筋配筋率的提高桥墩的耗能能力逐渐提高,但当耗能钢筋配筋率高于0.20%时桥墩的耗能能力提高的幅度降低;耗能钢筋对桥墩延性性能有一定的影响,耗能钢筋配筋率小于0.10%时随耗能钢筋配筋率的提高,桥墩延性性能下降幅度较大,耗能钢筋超过0.10%时随着耗能钢筋配筋率的提高桥墩的延性性能下降幅度基本趋于一致;同时随着耗能钢筋配筋率的提高,桥墩的屈服荷载和抗侧力也有一定的提高。

新型装配式自复位桥墩节点抗震性能研究

为提高装配式桥墩的自复位能力和耗能性能,提出了一种新型装配式自复位桥墩节点连接,采用数值模拟的方法建立了桥墩节点的数值模型,在验证数值模型正确性基础上,通过对比各桥墩模型在低周往复荷载下的模拟结果,研究新型节点的抗震性能。结果表明:相比传统桥墩节点,新型桥墩节点的滞回曲线更加饱满,承载力和耗能能力有所提升,且残余位移减小,自复位性能较好;随着橡胶厚度的增加,结构的耗能能力逐渐增强,残余位移逐渐减小,两者趋势都随橡胶厚度加大呈下降状态,且橡胶厚度为40 mm时抗震性能最佳;随着桥墩埋置深度的增加,结构的承载力有所提升,但耗能能力有所减小,且埋置深度为100mm时残余位移较小,呈现出更好的自复位性能。

预制拼装钢管混凝土自复位桥墩变形分析模型及验证

为进一步推广可恢复功能的预制装配式桥梁结构体系在中、高烈度区的应用,提出了一种内置耗能钢筋的预制拼装钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube,CFST)自复位桥墩。首先阐述其基本力学特性,并基于桥墩的变形行为(弯曲变形、剪切变形、刚体转动)和非线性变形特征(消压极限状态、等效屈服极限状态、可恢复设计极限状态),考虑底部耗能钢筋和混凝土变形不协调引起的应变渗透效应,利用“图乘法”和“修正的等效悬臂梁理论”,提出了一种不需要迭代的变形分析模型,并与循环往复加载试验、已有变形分型模型和OpenSees开发的纤维模型进行了对比。结果表明,该文提出的变形分析模型与拟静力试验得到的消压承载力、等效屈服承载力和可恢复设计极限承载力分别相差7.02%、6.38%和11.06%,可以略保守地准确预测预制拼装CFST自复位桥墩的各阶段载荷-变形关系曲线,为新型结构设计提供参考。

自复位桥墩耗能钢筋合理配筋率的设计方法研究

自复位桥墩在地震作用下损伤较小,近年来受到了工程界的关注。无耗能装置的预应力摇摆墩耗能能力小,导致其在地震作用下产生较大的位移响应。为了增加无粘结预应力摇摆墩的耗能能力,通常会在墩底采用耗能钢筋。研究结果表明:增加耗能钢筋的用量,可以提高桥墩的耗能能力,但同时也会增加桥墩震后残余位移。然而,现有研究很少涉及耗能钢筋的合理配筋率问题。该文采用非线性时程分析方法,从自恢复指标λ对不同周期结构地震位移反应的影响入手,结合耗能钢筋配筋率ρ与自恢复指标λ的对应关系,提出了自复位桥墩耗能钢筋合理配筋率的设计方法。即不同周期自复位桥墩的耗能钢筋合理配筋率可通过其λ推荐值及ρ-λ关系得到。以一座四跨连续梁桥为例,验证所提耗能钢筋合理配筋率设计方法的合理性。研究结果表明:当结构周期比η<1.0时,λ推荐值为1.2;当结构周期比1.0≤η≤2.0时,λ推荐值为2.0;当结构周期比η>2.0时,该文推荐耗能钢筋配筋率为0.5%。

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。

外置分阶段耗能阻尼器自复位桥墩的抗震性能

针对传统自复位桥墩耗能形式单一且内置耗能钢筋震后更换困难的问题,提出一种外置分阶段耗能阻尼器。首先介绍了阻尼器的基本结构与作用机理,并建立数值模型对其性能进行验证;然后考虑不同的软钢屈服强度,建立三个外置分阶段耗能阻尼器自复位桥墩模型与一个内置耗能钢筋自复位桥墩模型,通过拟静力滞回模拟试验对比研究软钢屈服强度对自复位桥墩抗震性能的影响规律。结果表明:与内置耗能钢筋自复位桥墩相比,外置分阶段耗能阻尼器自复位桥墩水平承载力最高提升22%,提高了桥墩初始刚度,减弱了桥墩刚度退化,且随着软钢屈服强度提高,桥墩的抗震性能相应增强。

双向地震下自复位桥墩的地震响应

为了研究新型自复位桥墩(rocking self-centering,RSC)在双向地震作用下的地震反应,基于OpenSees建立了RSC桥墩有限元模型,以墩顶最大漂移率、预应力筋最大应力、墩底剪力作为分析对象,对比分析了不同耗能钢筋配筋率、不同轴压比的RSC桥墩在单向和双向地震作用下的反应.结果表明,墩顶最大漂移率和预应力钢筋最大应力随着耗能钢筋配筋率的增加而减少,但耗能钢筋配筋率的增加会增大墩底剪力.

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。

基于ABAQUS自复位桥墩与现浇桥墩性能对比

介绍自复位桥墩出现的背景,自复位桥墩的结构组成和工作性能。基于ABAQUS有限元软件对自复位桥墩和现浇桥墩进行建模分析,采用拟静力分析的方法,用水平往复位移荷载代替地震波进行加载,根据受力云图和滞回曲线,对比两者在承载力、耗能能力、刚度方面的差异,得到以下结论:自复位桥墩的承载能力稍弱于现浇桥墩,但是自复位桥墩有良好的复位能力;现浇桥墩的耗能能力比自复位桥墩强,但是自复位桥墩其结构本身可以耗散地震能量;自复位桥墩刚度衰减率小于现浇桥墩。

预压碟簧自复位钢筋混凝土桥墩恢复力模型与滞回性能研究

为减小钢筋混凝土桥墩在地震中的损伤并且实现经济快速的震后恢复,提出一种新型预压碟簧自复位钢筋混凝土桥墩(PDS-SCCP)。文中对PDS-SCCP的整体构造和工作原理进行了详细介绍,并建立了反映其滞回特性的恢复力模型。采用ABAQUS建立PDS-SCCP的数值模型,并将ABAQUS计算结果与恢复力模型进行对比分析。结果表明:文中建立的恢复力模型能够较准确地描述PDS-SCCP的滞回特征;在往复荷载作用下,PDS-SCCP可以实现预期的工作机制,其塑性损伤集中于可更换耗能装置,混凝土墩身基本保持弹性,复位装置能够稳定地为桥墩提供恢复力。