MDOF桥墩结构基于能量的抗震性能分析方法

针对脉冲型近场地震动的高能量输入,有必要发展以能量为指标的结构抗震性能分析方法.基于能量平衡原理,在给出多自由度体系的地震输入总能量和滞回耗能需求、结构耗能能力以及总能量沿各节点分布等计算方法的基础上,建立了一种基于能量概念的桥梁结构抗震性能评估方法.以3座加拿大的实际桥墩为算例,以近震记录和模拟脉冲为输入,验证了所建议方法的有效性和必要性.最后,以MDOF实体桥墩的时程分析结果为基础,对采用Akbas模型近似确定能量在以弯剪变形为主的中、低高度RC桥墩各截面分布的适用性进行了检验.

形状记忆合金自复位耗能装置滞回性能及简化分析模型

将形状记忆合金(SMA)应用于耗能装置,可限制耗能装置在强震作用下的残余变形,提升装置自复位能力和结构抗震韧性。采用软钢和SMA材料,设计研发一种由内环和外环核心元件组装而成的新型自复位耗能装置。通过建立自复位耗能装置的精细化有限元分析模型和简化分析模型,分析该新型装置在不同内环和外环核心元件参数下的承载能力、耗能能力、自复位能力等滞回性能变化规律,并通过已有试验结果验证精细化有限元分析模型的有效性,进而通过该模型验证简化分析模型的准确性。设计研发的新型装置内环和外环元件可近似为独立工作,自复位耗能机制明确。当内环和外环元件均采用软钢材料时,装置的耗能能力较强,但残余位移极大;当内环元件采用SMA材料、外环元件采用软钢材料时,装置的耗能能力下降较为明显,但残余位移变化不大;当内环元件采用软钢材料、外环元件采用SMA材料时,装置耗能能力下降明显,但残余位移极小。对于内环元件采用软钢材料、外环元件采用SMA材料的装置,内环和外环元件的厚度增大均可显著提升装置的抗侧刚度、承载能力和耗能能力,残余位移会随着内环元件厚度减小或外环厚度增大而减小。在抗震设计时,可根据结构抗震需求,选取元件设计厚度。

桥梁新型横向金属阻尼器研究

基于桥梁对横向金属阻尼器的抗震性能需求,在现有钢阻尼器研究成果的基础上,提出了一种适用于桥梁横向的新型金属阻尼器。然后阐明其力学性能,并提出了金属阻尼器的优化设计方法。最后,制作金属阻尼器试件进行了拟静力试验。研究结果表明,新型金属阻尼器具有很好的滞回耗能特性,滞回模型可采用等效双线性模型,同时具有很大的位移能力(漂移率大于50%),并且能够很好地适应地震过程中复杂的接触条件,不同三角形钢板具有很好的同步性。

铅芯橡胶支座隔震连续梁桥的地震能量反应分析

基于能量平衡原理,建立连续梁桥能量反应方程。采用有限元分析软件SAP2000,对4条典型地震波双向激励下的非隔震与铅芯橡胶支座隔震连续梁桥的地震能量反应进行分析。结果表明:铅芯橡胶支座隔震连续梁桥的绝大部分地震输入能(80%左右)被铅芯橡胶支座的滞回耗能所消耗,铅芯橡胶支座起到了减少结构非弹性变形、保护主体结构的作用;铅芯橡胶支座的构造对其隔震的连续桥梁的地震能量反应影响较大,较大的铅芯直径和刚度比会导致铅芯橡胶支座的减隔震能力下降;不同特性的地震动激励对桥梁的地震能量反应有显著影响,在强震持时较长、卓越周期与隔震结构自振周期接近时,桥梁的地震能量反应较大;铅芯橡胶支座不宜应用于软土场地的桥梁隔震。

基于改进Park-Ang模型的RC桥墩地震动损伤及滞回耗能特性研究

桥梁结构尤其是桥墩在强震作用下的地震动损伤、滞回耗能及其分布,是基于性能抗震设计的重要基础。本文引入改进的Park-Ang双参数损伤评估模型,以某靠近活动断层的高速公路RC梁式桥等效单墩模型为对象,深入分析了加速度峰值(PGA)、频谱、持时等三个地震动要素对损伤、滞回耗能及其分布的影响规律。研究表明,损伤及累积滞回耗能沿桥墩竖向自下而上显著减小,随着PGA的增大,墩底及附近截面的损伤指标明显增大,损伤高度不断扩大,损伤参与系数分布基本稳定,墩底损伤一般占桥墩总损伤的30%～40%。累积滞回耗能所致损伤可达总损伤的20%～80%,不容忽略。地震动频谱特性影响显著,当地震波卓越周期与结构自振周期接近时,会导致各项指标的显著增加。持时对损伤分布比例没有明显影响,但强震持时对于截面损伤值存在累加效应。

剪跨比对钢管混凝土组合桥墩抗震性能影响试验研究

钢管混凝土组合桥墩是一种以圆钢管为钢骨的新型钢-混凝土组合桥墩,具有良好的应用前景.通过3个组合桥墩试件的拟静力试验,研究了钢管混凝土组合桥墩的抗震性能和抗剪强度,分析了剪跨比对组合桥墩破坏形态、位移延性、刚度退化、滞回耗能和残余位移的影响.试验结果表明:剪跨比是决定组合桥墩破坏形态的关键因素,3个不同剪跨比的组合桥墩试件发生的破坏模式有剪切斜压破坏、弯剪破坏和弯曲破坏3类;3个组合桥墩试件的滞回曲线均比较饱满、稳定,无明显的捏缩、滑移现象;随着剪跨比的增大,试件的变形能力和耗能特性得到改善,刚度退化减慢,残余位移减小;不同剪跨比的组合桥墩试件均具有良好的变形能力,满足工程实践对位移延性系数和极限位移角的要求;对组合桥墩的抗剪强度计算公式进行了有益探讨,研究成果可为组合桥墩的抗震设计提供参考.

客运专线桥梁的地震能量响应分析

在依据能量平衡原理建立的客运专线桥梁地震能量方程的基础上,考虑柔性地基效应和地震动特性的影响,利用大型有限元分析(FEA)软件ANSYS建立某客运专线双柱式桥墩的FEA模型。研究了考虑土-结构相互作用效应的客运专线桥梁进入非弹性状态后的地震能量响应以及各类能量在结构整体系统中的分配规律。分析结果表明:结构滞回耗能和阻尼耗能是客运专线桥梁消耗地震能量的主要方式,而土-结构相互作用和地震动峰值加速度(PGA)对客运专线桥梁的地震总输入能、滞回耗能、阻尼耗能有显著影响,不容忽视。

梁式桥抗震设计的地震能量反应谱分析

合理选取4类场地320条强震记录,研究地震动特性和恢复力模型动力参数对弹塑性SDOF体系的地震能量响应及其分配规律的影响,得到如下结论:1对于弹塑性SDOF体系,只要给出某一标准设防烈度的地震能量反应谱,其他设防烈度的能量反应谱可以根据PGA设防烈度与PGA标准烈度比值的平方调整得到;2可忽略屈服后刚度比对结构地震能量响应及其分配规律的影响;3阻尼比对地震总输入能的影响不大,但却对阻尼和滞回耗能有较大影响;4弹性和弹塑性SDOF体系的地震总输入能存在一定差别的,不能忽略结构延性对地震总输入能的影响;5低延性结构的延性能力的增加将会大幅提高其滞回耗能能力。在此基础上,采用非线性能量反应时程分析方法,建立适用于我国梁式桥抗震设计的地震总输入能谱、能量折减系数谱、滞回耗能谱和滞回耗能比谱,并为梁式桥基于能量的抗震设计提供以下建议:在采用能量方法对梁式桥进行抗震设计,因尽量使结构周期超过临界周期,以避免结构弹塑性地震输入总能量被放大;同时,还应控制梁式桥的延性不宜过大或过小。

公路简支梁桥的地震能量响应分析

利用有限元软件SAP2000建立了某公路简支梁桥的有限元模型,以7条典型强震记录为输入,研究了公路简支梁桥的地震能量响应及其分配规律。结果表明:①地基柔性效应对公路简支梁桥的地震能量响应及其分配规律的影响较小;②当场地土质变软时,地震总输入能、结构阻尼耗能和结构阻尼耗能比均呈递增趋势,而结构滞回耗能和结构滞回耗能比则不断减小,即地基土体作为桥梁动力系统的一部分,增大了系统阻尼,并分担了部分非弹性变形;③随着PGA增大,输入结构的地震能量也增加,导致塑性铰的非弹性变形增加,即结构滞回耗能和结构阻尼耗能增大。

双弧型横向钢阻尼装置试验研究与应用分析

以商合杭客运专线颍上特大桥为工程背景,对双弧型横向钢阻尼装置的应用性能进行了试验研究.结果表明:双弧型横向钢阻尼装置具有较好的滞回特性,应用双弧型横向钢阻尼装置可以降低桥梁横桥向1阶频率,减小桥梁横向地震力,提高桥梁的抗震性能,但并未改变桥梁的振型特征.

地震作用下大跨连续梁桥隔震支座研究

为更好地降低桥梁在强震作用下的地震响应,提高其抗震性能,本文对4种不同桥梁常用减隔振支座(摩擦摆球型支座、拉索减震支座、环向钢丝绳-钢球型复合阻尼支座和E型钢阻尼支座)进行了简述和研究,采用非线性时程分析法研究了不同减隔震支座对大跨连续梁桥抗震性能的影响,以及各支座滞回曲线和累计耗散能量。研究结果表明:不同减隔振支座对桥梁抗震性能的影响有着明显差异,相比之下摩擦摆球型支座在强震作用下能够更好的耗散能量,从而降低地震响应,提高桥梁的抗震性能,是应用于大跨连续梁隔震支座的最佳选择。

桥梁支座双向耗能钢阻尼器力学性能研究

设计了一种新型桥梁支座双向耗能钢阻尼器,该阻尼器利用折角钢曲梁的弯曲弹塑性变形进行耗能.提出了该阻尼器简化力学模型,基于钢材简化本构模型推导了其耗能核心参数的理论公式,并通过有限元模拟研究其在单调加载及往复荷载作用下的力学性能.研究结果表明:钢阻尼器耗能段首先进入弹塑性,之后塑性变形集中于耗能段中部,受力合理,符合阻尼器设计意图;且理论公式与有限元计算结果相近,能有效地反应阻尼器的工作性能;在往复荷载作用下,其滞回曲线饱满,初始刚度大,耗能能力强.

基于多因素分析的桥梁结构地震滞回耗能比值谱研究

以3种场地下的214条近断层地震记录为输入,以分别简化为理想弹塑性、双线性和刚度退化滞回模型的单自由度体系的桥梁结构在大量近场地震作用下的滞回耗能分析为基础,从地震动特征和结构特性2个角度分别定量讨论了多种因素对结构滞回耗能比值谱的影响规律;用数值计算结果对比验证了各学者所建议模型存在的不足,并用统计回归方法建议了适用于0~15 km近断层范围内的滞回耗能比值谱。结果表明：决定滞回耗能分配比例的主要因素是结构阻尼、延性系数和结构自振周期;所建议的比值谱能更全面地反映影响能量分配的主要因素,且取值更符合实际地震动的能量分配特征,可用于基于能量原理的桥梁结构抗震设计。

桥梁辊轴摩擦支座的减震性能研究

支座连接件是桥梁整体抗震性能的一个薄弱环节,针对汶川地震中大量桥梁支座普遍出现病害的现象,基于能量耗散理论提出了辊轴摩擦支座的应用。利用有限元分析软件ANSYS对地震波激励下普通橡胶支座与滚轴摩擦支座的地震响应进行对比,重点分析了其沿支座平动方向的动力特性,研究结果表明,辊轴摩擦支座在控制地震响应的同时能很好地控制梁体移位,延长桥梁结构的自振周期,避开地震能量的集中区,降低结构的内力及位移,使结构内力得以合理分配,支座在运动不发生转动,只有水平方向平动,保证上部结构的稳定性,震后结构复位较容易,隔震效果显著。