考虑P-Δ效应的陡坡段桥梁双桩结构受力分析

深入分析了陡坡段桥梁桩基受力的P-Δ效应形成机理.依据土压力理论与弹性地基梁理论,通过对坡体剩余下滑力和土体抗力的合理简化,建立了陡坡段桥梁双桩结构体系的桩土相互作用模型.在此基础上,导出不同特征桩段微分方程的幂级数解答,从而提出了一种可考虑P-Δ效应的陡坡段桥梁桩基受力计算方法.与文献算例对比分析表明了该方法的合理性.最后,对双桩结构内力与位移的影响因素及其敏感性进行了探讨,结果表明:前桩P-Δ效应的影响不容忽视,当桩顶荷载水平及地基抗力比例系数相同时,后桩桩身最大弯矩比前桩大,且最大弯矩作用面均位于边坡滑动面附近,陡坡上的桥梁桩基同样具有嵌固深度效应.

考虑隔震支座转动及P-Δ效应的串联隔震结构响应研究

针对叠层橡胶隔震支座与地下室悬臂柱组成的串联隔震体系的P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动问题,通过简化建立考虑P-Δ效应、叠层橡胶隔震支座转动及悬臂柱柱身变形的上部结构与独立悬臂柱串联隔震体系的力学模型,推导出考虑P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动共同作用下的串联隔震体系的频率方程,然后通过数值的方法求解该串联隔震体系的频率与振型。根据Betti定律,推导出考虑P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动的串联隔震体系的广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加法求解串联隔震体系的地震响应。最后应用该地震响应求解方法对一实际工程进行仿真及参数分析。结果显示本文考虑P-Δ效应、叠层橡胶隔震支座转动及悬臂柱柱身变形的串联隔震体系动力响应求解方法能方便地计算悬臂柱的变形、柱顶转角以及结构的动力响应;悬臂柱水平名义刚度与隔震支座水平刚度之比较小时,悬臂柱与隔震支座组成的串联隔震体系的地震响应与隔震支座底部固结直接积分法得到的响应差别较大,随着悬臂柱刚度的增加,差别迅速减小,可根据刚度比确定独立悬臂柱的截面;在保证隔震效果的情况下,隔震支座竖向刚度应尽量加大,以减小隔震支座转角;当悬臂柱支撑的隔震结构隔震支座底部按固结计算时,P-Δ效应主要影响下部独立悬臂柱的响应,计算独立悬臂柱的响应需考虑P-Δ效应的影响。

近场地震作用下考虑P-Δ效应的首层柱顶隔震结构地震反应分析

近场地震所具有的位移和速度脉冲,会使得结构隔震层处形成较大的层间位移,结构的二阶效应不容忽视。首先,构造水平力偶来代替结构轴向力形成的附加弯矩,得到了一几何刚度矩阵,在此基础上提出了求解层间隔震结构P-Δ效应的免迭代计算方法;其次,分别选取了10组近场地震波和10组远场地震波,对层间隔震结构作了时程分析,研究了近场地震波对层间隔震响应的影响;最后,分析了近场地震作用下,P-Δ效应对层间隔震系统下部结构的影响。研究表明:近场地震作用下,层间隔震结构反应显著增大,在PGA=200cm/s2输入地震波下,P-Δ效应使得下部结构的响应增加50%左右。

考虑P-Δ效应的柱顶隔震结构的动力响应分析

针对柱顶隔震结构,提出考虑P-Δ效应动力响应的免迭代计算方法,分析P-Δ效应对柱顶隔震结构响应的影响。由于隔震层处的层间位移较大,当受到的轴力较大时,二阶效应不容忽视。隔震支座采用双线性模型,构造水平力偶代替结构轴向力形成的弯矩,并在隔震层处做了特殊处理,使得隔震层处的附加弯矩能够传递到下部结构。这样在计算结构的非线性响应时,相当于结构的刚度矩阵在原来的基础上增加了一个几何刚度矩阵,从而避免了迭代运算。研究表明:某些情况下P-Δ效应会显著增大下部结构的响应。

考虑P-Δ效应的等延性位移比谱

应用等延性位移比谱可以简便有效地估计结构的非弹性位移.在地震动作用下,由于P-Δ效应能够增加结构的非弹性变形和永久变形,因此,研究P-Δ效应对等延性位移比谱的影响具有重要意义.利用四类场地上的344条地震动,分别计算出了考虑及未考虑P-Δ效应的等延性位移比谱,并进行了对比分析,然后根据统计分析的结果,得到了等延性位移比谱考虑P-Δ效应的修正公式.结果表明:P-Δ效应对等延性位移比谱的影响十分可观,并且其影响程度随结构延性的增加而增大,随结构周期的增加而减小;而且当考虑P-Δ效应之后,等位移原理不再适用.

考虑P-Δ效应的桥梁地震反应分析与设计

要实现基于性能的抗震设计理念,重要的一环为简单而准确地确定结构地震需求。P-Δ效应会使桥墩产生二阶内力和变形,在弹性状态下已有可靠的分析方法,但在地震作用下还没有得到充分的研究。本文在对地震作用下考虑P-Δ效应的现有分析和设计方法进行总结的基础上,进行了单墩体系地震作用下的动力P-Δ效应非线性时程统计分析,回归得到了P-Δ效应的位移增大系数和强度提高系数公式。研究表明,塑性反应的结构P-Δ效应与弹性反应阶段有很大差异,将弹性范围研究结果简单延伸到塑性阶段是不合适的。现有理论公式预测的位移增大系数和强度提高系数在工程上容许的P-Δ效应影响范围内均小于实际统计均值,精度不能满足基于性能抗震设计的要求。本文得到的回归公式与有限元分析结果较为吻合,可为基于性能的抗震设计提供参考。

捏拢效应与P-Δ效应对地震延性需求和损伤指标的影响

文中定量地分析了捏拢效应和P-Δ效应对非弹性单自由度体系的地震延性需求和Park-Ang地震损伤指标的概率统计特征的影响。采用Bouc-W en模型描述具有P-Δ效应、捏拢效应、强度退化、刚度退化等典型特性的恢复力-位移滞回曲线;根据非弹性单自由度体系在69条强震记录作用下的动力响应,定量地分析了捏拢效应和P-Δ效应对地震延性需求和Park-Ang地震损伤指标的均值和变异系数的影响,并建立了地震延性需求的概率预测模型。计算结果表明,捏拢效应和由重力引起的P-Δ效应对地震延性需求的影响较大,而由竖向地震激励引起的P-Δ效应对地震延性需求的影响很小;对于短周期体系,建议采用对数正态或Frechet分布来描述地震延性需求的概率分布;对于长周期体系,采用Frechet分布则更为合理。

P-Δ效应对结构动力特性的影响

P-Δ效应对结构的动力特性有一定影响。为了在推覆曲线上求解性能点,应依据考虑P-Δ效应后的结构周期选择合适的弹塑性反应谱。由于模态分析无法考虑P-Δ效应的影响,用振动台试验中常用的白噪声扫描对结构动力特性的变化进行研究。结果表明:考虑P-Δ效应后结构的抗侧刚度降低,周期增大,这会导致结构受到的地震作用发生变化;P-Δ效应对结构的第一阶振型影响较明显,而对高阶振型影响较小。

P-Δ效应下滞回特征对结构抗倒塌能力的影响

对考虑P-Δ效应时结构的地震响应特征进行了研究.结果显示,考虑P-Δ效应后结构的整体刚度下降,几何非线性与材料非线性共同作用,使骨架曲线容易产生负刚度,利用三折线简化该骨架曲线较双折线更为准确.在此基础上,分析了带有负刚度的非线性弹性模型、完全弹塑性模型和Clough模型的滞回特征及其对结构抗倒塌能力的影响.算例结果表明:具有饱满滞回特征的完全弹塑性模型较容易出现偏振现象,表现出相对较小的抗倒塌能力;而具有完全或部分捏缩效应的非线性弹性模型和Clough模型的振动则具有较好的对称性,抗倒塌能力较强.这说明结构的抗倒塌能力并非仅与耗能能力有关,进入负刚度区域后的偏振现象才是引起倒塌的主要原因.

基于能量法的基桩变形P-Δ效应模拟分析

复杂荷载下基桩受力分析是桩基设计计算重要内容之一.引入能量原理,针对基桩荷载倾斜与偏心的特殊情况,并考虑土体的成层特性,建立了三维基桩-土体系统能量控制微分方程.在此基础上,结合不同边界条件及桩土位移条件,基于有限差分方式得出了倾斜偏心荷载下基桩位移的半解析解答,该解答可充分考虑轴向与横向荷载共同作用对基桩变形的P-Δ放大效应.而后,开展了倾斜偏心荷载下单桩的室内模型加载验证试验.对比结果表明,本文理论解答与试验测试结果吻合较好,较好地模拟了组合荷载下基桩变形P-Δ放大效应.最后,对影响基桩P-Δ放大效应的主要因素进行了分析,结果表明,轴、横向荷载相对大小、桩顶自由段长度、桩身刚度及浅层地基土刚度等都对P-Δ放大效应有较大影响.

剪切变形对基桩P-Δ效应的影响

给出了小剪切变形下的基桩P-Δ效应和大剪切变形下支座P-Δ效应计算的杆单元刚度矩阵方程。假定杆单元弯曲变形位移函数为三次幂函数,剪切变形函数为线性函数,根据有限元法一般原理,推导了一种同时计入竖向力径向剪切分力剪切变形和水平力剪切变形的P-Δ效应杆单元刚度方程,推导了一种仅计入竖向力径向剪切分力剪切变形而忽略水平力剪切变形的P-Δ效应杆单元刚度方程,推导了一种仅计入水平力剪切变形而忽略竖向力径向剪切分力剪切变形的P-Δ效应杆单元刚度方程。计入水平力剪切变形而忽略竖向力径向剪切分力剪切变形的P-Δ效应杆单元可良好的模拟支座在大剪切变形下的偏心工作特性,能实时计入其偏心弯矩影响,为实时计入支座偏心特性的结构动静力分析提供了理论支撑。最后通过自编MATLAB程序进行算例分析,结果表明,计入支座大剪切变下的P-Δ效应后,基桩内力位移和地基土压力均显著增大。基桩自身剪切变形对桩身内力位移和地基土压力影响较小,可以忽略。

P-Δ效应对基础隔震结构地震响应影响研究

隔震支座在地震作用过程中水平变形时,会对上部结构附加由于隔震支座P-Δ效应造成的弯矩。国内,关于隔震支座的P-Δ效应对基础隔震结构地震响应具体影响相关的研究,相对较少。采用PERFROM-3D软件,建立上部结构弹塑性的基础隔震结构模型,进行了考虑与不考虑隔震支座P-Δ效应的计算分析,对比了层剪力系数、层间位移、层倾覆弯矩、加速度等地震响应。结果表明:隔震支座的P-Δ效应对基础隔震结构的底层层间位移响应及上部结构柱底转角位移造成一定影响,其它地震响应基本无差异。

双向地震激励和P-Δ效应对延性需求的影响

利用规一化位移作为控制参数,以圆形屈服面来描述双向规一化抗侧恢复力之间的耦合效应,且综合考虑P-Δ效应、强度退化、刚度退化、应变硬化等因素的影响,建立了双向地震作用下非弹性双自由度体系地震动力响应分析的新型双轴Bouc-Wen模型。结合69条地震记录,定量地分析了双向地震激励和P-Δ效应对延性需求的概率统计特征的影响。计算结果显示:双向地震激励和P-Δ效应对延性需求的影响较大,且影响程度对结构参数的取值比较敏感;长周期体系的延性需求可以描述为Lognormal或Frechet分布,而短周期体系的延性需求描述为Frechet分布更为合理;双向地震激励下的延性需求可以近似表达为单向地震作用下延性需求的平方和开平方。

基于流固耦合理论的独立避雷针P-Δ效应分析

为了探究强风荷载作用下独立避雷针结构风致振动效应,采用2种分析方法,分别以风速和结构刚重比2个变量对独立避雷针结构位移进行参数化数值模拟。分析结果表明:在避雷针结构刚重比(风速)一定的前提下,2种分析方法所得结构顶点位移和P-Δ效应均与结构刚重比(风速)成正比;当结构刚重比大于30%或风速大于30 m/s时,结构P-Δ效应增大因子为1.04~1.40,并提出了类似独立避雷针高柔结构考虑P-Δ效应的适用前提和建议分析方法。

无侧移单元闭合框架P-δ效应的研究

为了判断无侧移单元封闭框架柱在考虑轴力p-δ效应下柱端弯矩的变化规律,提出了综合梁柱约束类型及节点二阶附加转角的判断法则;并经过典型算例结果的检验与证实。当节点转动是由梁端引起时,若考虑p-δ效应后节点转角增大,则意味着由于柱对梁端的约束作用减弱,柱端弯矩与梁端弯矩将变小;反之,则梁端受到柱端的约束效应增强,那么柱端弯矩与梁端弯矩将增大。当节点转动是由柱端转动引起时,由于作为柱端转动约束构件的梁抗弯刚度保持某一常量,如果考虑p-δ效应后,节点附加转动增大了原节点转角,那么梁端弯矩就会增大,从而使与之相连接的柱端弯矩也相应增加;反之,若节点附加转角减小了节点转角,则梁端约束弯矩减小,而减小与之连接的柱端弯矩。

部分柱顶滑移钢筋混凝土结构的滑移柱P-δ效应

为揭示部分柱顶滑移钢筋混凝土结构中滑移柱的P-δ效应,首先对该类柱的上端铰接简化模型的有效性进行了验证,在此基础上考察了不同情况下无侧移滑移柱因P-δ效应引发的二阶弯矩的特点,指出了需考虑二阶弯矩的界限条件,并就此提出了无侧移滑移柱弯矩增大系数的确定方法,然后通过参数修正初步考虑了混凝土非线性对前述结果的影响,最后给出了算例分析.研究表明:小震阶段采用普通铰对滑移柱顶部的摩擦支座进行近似处理是可行的;在某些情况下,无侧移滑移柱因P-δ效应引发的二阶弯矩对柱身最大弯矩有增大效应,此时只需利用无侧移滑移柱的一阶弯矩和弯矩增大系数,即可方便地确定其考虑P-δ效应后的柱身最大弯矩.

考虑竖向地震作用的高桥墩P-Δ效应分析

由50年设计基准期的水平地震系数推导出4类桥梁水平地震系数,按一般规律,可求出不同类型桥梁相应的竖向地震系数。选择满足几何边界条件和力学边界条件的变形曲线,用能量方法推导出具有通用性的变形公式,进而可求出墩顶位移与墩底弯矩。与不计P-Δ效应的计算结果相比,考虑P-Δ效应的位移与弯矩都在很大程度上得到放大,特别是在罕遇地震作用下,效果更加明显。对于高柔性桥墩,尚需要考虑高振型和材料非线性的影响。

考虑P-Δ效应和自适应模态侧力分布的结构抗震能力评估

针对3种典型结构抗震能力表征,即传统的Pushover曲线、基于能量的Pushover曲线和能量能力曲线,详细地考察了自适应模态侧力分布加载方式与P-Δ效应对结构抗震能力评估的影响;对9层与20层钢框架结构进行了数值分析,结果表明:基于能量的Pushover曲线比传统的Pushover曲线表现出更光滑的双线性,且能够有效地避免传统高阶模态Pushover曲线可能失效的问题,能量能力曲线能够在基于能量的评估中得到合理的应用;自适应加载方式比不变的加载方式得到的结构屈服后承载能力要高,高阶模态时更为明显;考虑P-Δ效应比不考虑P-Δ效应得到的结构抗震能力要低,但是对中低层结构影响则很小.

动力P-Δ效应位移增大系数研究

位移增大系数法是弹性状态下考虑P-Δ效应对结构位移放大作用的有效简化分析方法,但地震作用下的P-Δ效应是一个复杂的动力几何非线性及材料非线性问题,目前还没有成熟统一的考虑方法。本文对地震作用下P-Δ效应稳定指标的合理选取进行了讨论,以等效线性化法为理论基础提出了改进的P-Δ效应位移增大系数公式。作为验证,选取单墩体系进行了大量的参数分析工作,统计分析得到了动力P-Δ效应对结构位移反应的影响规律。研究表明,桥梁稳定指标的选取应与桥墩所处的反应阶段相适合,弹性反应阶段与弹塑性反应阶段应选取不同的稳定指标;提出的理论公式与有限元参数分析结果比较吻合,利用等效线性化方法可以合理地进行P-Δ效应分析,所提公式可为规范的进一步修订提供参考。

竖向地震作用下柱板式高墩桥梁P-Δ效应分析

以在建的黄韩侯铁路线上纵目沟特大桥为工程背景,建立相应的有限元模型,利用反应谱法重点分析了在竖向地震作用下新型柱板式高墩的P-Δ效应影响规律,同时引入稳定指标定量分析了P-Δ效应的放大效果。结果表明,在同时考虑到竖向地震作用和P-Δ效应之后,柱板式桥墩的位移和内力有明显增大,这种影响随着墩高的增加而加强,可以用稳定指标来进行表示。