大跨度上承式钢管混凝土拱桥抗震韧性评估

为评估大跨度上承式钢管混凝土(Concrete-filled Steel Tube, CFST)拱桥在不同地震动强度下的抗震韧性，以一座320 m上承式CFST拱桥为研究对象，利用Midas/Civil软件建立结构有限元模型并进行非线性结构响应分析，定义了拱桥的易损性组和性能组，开展地震易损性分析，分别评估在不同地震动强度作用下拱桥结构的维修费用和维修时间等抗震韧性指标，给出拱桥的抗震韧性评级方法和依据。结果表明：该结构最终抗震韧性评级为一星，其中维修时间是影响拱桥结构综合抗震韧性等级的关键指标，结构构件对拱桥结构的抗震韧性有较大的影响。     

基于监测数据的拱桥吊杆疲劳寿命评估方法及其应用

目前拱桥吊杆都是基于恒载及活载静力强度准则设计的,没有考虑车辆荷载的动力疲劳安全系数。本文引入概率和统计学的概念与方法,对吊杆疲劳强度进行了可靠性分析与设计,建立了拱桥吊杆基于极限应力模式的疲劳动态可靠度模型与分析方法。结合实际桥梁监测的数据和疲劳模型试验,给出了拱桥吊杆腐蚀疲劳动态可靠度的计算步骤,并对实际桥梁的某一根吊杆腐蚀疲劳可靠度进行了评估,评估结果与实际结果基本吻合,证明了此方法适用于拱桥吊杆腐蚀疲劳寿命预测。     

中、下承式拱桥抗震性能分析

以下承式平行拱桥,下承式提篮拱桥和中、下承式斜靠式拱桥为研究对象,采用有限元程序Midas/civil建立3种桥型的空间有限元计算模型,计算其在El Centro波、Taft波地震波作用下的地震时程响应,对其进行抗震性能分析。计算结果表明:横向地震作用对3种拱桥的地震响应起控制作用;拱脚位置和横撑或横向联系处应作为拱桥抗震设计的控制截面,控制截面最大应力满足桥梁抗震性能要求,但平行式拱桥和斜靠式拱桥安全储备不充足,可采取一定的构造措施来保证其抗震安全性;提篮式拱桥主拱内倾和斜靠式拱桥稳定拱的设置对提高拱桥的横向抗震性能效果较为显著;提篮拱桥抗震性能优于平行式拱桥,斜靠式拱桥在横向地震下的拱顶横向位移最小,其抗震性能较好。     

吊杆损伤对湛河斜靠式拱桥动力特性的影响

根据平顶山市城东河路湛河桥主桥—斜靠式拱桥的结构特点,采用M IDAS/C ivil有限元软件,建立了该桥的空间有限元计算模型,进行了不同吊杆损伤情况下的桥梁动力特性计算,通过对比桥梁在完好状态和不同吊杆损伤情况下的桥梁动力特性,得出结论:吊杆损伤对斜靠式拱桥的低阶自振频率总体影响较小,但对桥梁整体竖向自振频率和扭转自振频率相对影响较大,吊杆损伤导致桥梁竖向和扭转自振频率降低;主拱吊杆损伤比稳定拱吊杆损伤对该桥的自振频率影响大,跨中吊杆损伤比1/4跨处吊杆损伤对该桥自振频率影响大。计算结果对正确认识斜靠式拱桥在不同状态下的结构动力特征,合理评价桥梁运营阶段的健康状况提供了参考和基础性数据。     

环境温度对钢管混凝土拱桥吊杆振动影响及张力测定研究

为了提高实际工程中吊杆张力的测试精度,基于Euler-Bernoulli梁理论,考虑外界环境温度变化以及吊杆预应力作用对吊杆振动的影响,建立了变温时吊杆自由振动运动方程,并根据长吊杆边界条件,给出了吊杆张力与温度变化、横向振动频率关系式,分析了吊杆热过屈曲温升条件。采用数值模拟方法与工程实例进行了验证。计算结果显示,环境温度相同时,张力增大吊杆同阶振动频率增大;当张力相同时,环境温度升高,吊杆同阶振动频率降低。对于季节温差较大的地区,吊杆张力测试时环境温度影响不可忽略。考虑温度影响时,关系式计算精度较高,更接近真实值,且方程为显式,实用性强。     

铁路劲性骨架混凝土拱桥减隔震方案优化研究

为研究不同设防烈度下铁路劲性骨架混凝土拱桥的合理减隔震方案,以某主跨为445 m的铁路混凝土拱桥为分析背景,选用SAP2000结构分析软件建立全桥空间动力有限元模型进行非线性动力时程分析,对比了多级设防烈度下不同参数的摩擦摆支座和“摩擦摆支座+连梁装置”2类减隔震方案用于铁路劲性骨架拱桥的减隔震效率。结果表明：设防烈度较低时,摩擦摆支座能在一定程度上控制拱桥结构的地震响应,设防烈度高时控制效果有限,考虑行车平顺性,应优先选取半径较大的摩擦摆支座;“摩擦摆支座+连梁装置”方案在强震作用下,结构关键位置内力响应值没有明显增大,同时,伸缩缝位移值明显降低,提升了拱桥结构地震作用下的安全性。实际工程中,推荐使用“摩擦摆支座+连梁装置”方案以提高大跨度上承式铁路劲性骨架混凝土拱桥抗震性能。     

近断层地震动对上承式拱桥动力响应的影响

为了揭示近断层地震作用下上承式钢筋混凝土拱桥的动力响应特点,以西南山区某上承式拱桥为背景,用OpenSEES平台建立了全桥非线性动力分析模型,探讨了近断层地震动的输入方式、脉冲效应和竖向地震动等三个关键因素对桥梁动力响应的影响规律。研究结果表明:地震输入方式对拱圈地震响应的影响较小,但对拱上立柱地震响应的影响很大,尤其是拱顶附近的短立柱,在抗震分析中,建议偏安全地采用三向地震输入方式;脉冲效应对拱桥地震响应的影响非常大,会导致拱圈、拱上立柱和桥面板地震响应大幅增加,桥面板残余平面转角甚至增大6倍以上;竖向地震动对拱圈轴力和面内弯矩、拱上立柱纵向弯矩和剪力的影响很大,拱顶处的面内弯矩放大倍数最大可达2.95,总体来说,采用规范所建议的方法考虑竖向地震是偏保守的。     

钢管拱桥在大地震作用下的非线性反应分析

钢管拱肋填充混凝土后，质量体系相对刚度体系的作用将大幅增加，特别是在大地震作用下的横向反应显著增大。拱肋内部不填充混凝土，能够减小横向地震作用，同时可以减轻下部结构的负担。因此，本文提出了圆形钢管拱肋的材料非线性性能的评价方法，并以上承式钢管拱桥为例，探讨了钢管拱桥在大地震作用下的非线性反应性能。     

钢管混凝土拱桥弹性动力稳定性能研究

基于运动稳定性理论,以1座实际的钢管混凝土肋拱桥为例,利用改进的时间冻结法(动态特征值法)求得结构在地震波作用下的动态稳定系数时间历程,研究了不同输入方向和阻尼比对动力稳定临界系数的影响,并探讨了地震波作用下拱桥的稳定安全系数,对钢管混凝土拱桥的弹性动力稳定性能作出了评估。     

大跨径拱桥被动减震控制的仿真分析

本文采用现代控制理论对设有耗能减震装置的拱桥结构进行被动减震控制仿真分析,给出了大跨度拱桥在多点激励下的运动微分方程,将拱桥简化成平面杆系模型,给出减震结构的状态方程,然后基于SIMULINK环境下对设有粘滞阻尼器的拱桥减震结构进行动态仿真分析,并考虑了行波效应对减震效果的影响。该方法较之传统的分析方法更简便、有效,分析结果表明设置了耗能器的拱桥结构地震反应有明显的降低。     

5跨连续中承式钢管混凝土拱桥抗震性能分析

钢管混凝土拱桥由于桥型优美在城市桥梁中得到广泛应用,对某正在设计的5跨连续巾承式钢管混凝土拱桥进行了动力特性和抗震性能分析,根据该桥的结构特点,建立了’该桥的空间有限元分析模型,计算桥梁的自振特性,基于反应谱方法计算了该桥在横向、纵向水平地震反应,计算结果表明：该桥拱肋的面外刚度相对较小,在桥梁振动中首先出现拱肋的面外振动;桥梁的竖向振动表现为拱肋与桥面的整体竖向振动,其基频明显比拱肋面外振动大;主拱肋的轴力由横桥向地震动控制,其他内力由纵桥向地震动控制;地震作用对弯矩的影响较大,故主拱的内力计算应考虑地震力的影响;在设计计算中除常规关键点应作为控制点外,内外拱连接处也应作为控制点。计算结果已为该桥的抗震设计提供了参考。     

大跨径钢管混凝土拱桥减震控制装置参数的研究

大跨度桥梁结构的减震控制研究对于桥梁结构的抗震安全具有重要意义。本文以主跨368m的茅草街大桥为研究对象,基于ANSYS建立了该桥的三维有限元模型,并采用子空间迭代法分析了该桥的动力特性。在此基础上进行了大跨度钢管混凝土拱桥的地震响应及减震控制研究,重点进行了弹性连接装置和粘滞阻尼器减震效果的参数敏感性分析,并对比分析了不同位置布设减震装置时的效果。结果表明,纵飘振型对该桥肋纵向相对位移的贡献最大;弹性连接装置和阻尼器均能有效减小地震作用下该桥的肋梁纵向相对位移;综合考虑各关键部位的地震响应时,同时采用两类减震装置并将其分散布置时的减震效果最佳。结论可供大跨度中承式钢管混凝土系杆拱桥的抗震设计参考。     

基于实测车流的悬索桥吊杆钢丝寿命期内的疲劳评定

将过桥实测车流数据与数值模拟分析结合起来,以江阴大桥的吊杆为研究对象,考虑不同车道对吊杆疲劳寿命的影响,建立了大跨度悬索桥疲劳车辆荷载模型和吊杆钢丝寿命期内的疲劳评估实用方法以及基于S-N曲线的吊杆寿命期内的疲劳损伤评定方法。研究结果表明,跨中短吊杆的疲劳退化快于桥塔附近的长吊杆,短吊杆是疲劳养护的重点;在吊杆的20年寿命期内,不需要考虑疲劳更换,但需要对跨中短吊杆采取监视措施。该方法可用于悬索桥吊索的安全评估与剩余寿命分析,能为吊杆的检测、维护与管理提供决策依据。     

公路桥梁地震易损性和震后恢复过程

采用专家调查的方式,统计的我国各种主要公路桥梁在不同烈度的地震发生后可能遭受的结构破坏和功能损失,以及地震发生后所需要的恢复时间。通过分析,给出了大、中、小种规模的斜拉、悬索、板梁式和拱式桥梁的结构破坏概率矩阵、设施损失率、功能损失率分布、损失功能恢复所需要的时间和桥梁在遭受破坏期间所损失的工作日数,并将研究结果与唐山地震之后的实际调查结果进行了对比,得到了一些有益的结果。     

既有大跨度混凝土拱桥震害机理分析

以汶川地震中遭到严重破坏的金花大桥作为工程实例,基于现场震害调查资料和数值分析来研究金花大桥地震破坏机理。现场震害调查发现,金花大桥震害主要集中在主拱肋和拱上立柱,表现为混凝土开裂和拱上立柱环向裂缝等。数值分析结果表明,在地震荷载作用下主拱肋的拱脚截面抗弯能力比地震需求小,会出现弯曲破坏,拱顶截面抗震能力满足抗震需求;8#拱上立柱在柱底会发生弯曲开裂。数值分析结果与震害调查具有一致性,可为大跨度拱桥抗震设计提供参考。     

A comparative study between China and U.S. on seismic design philosophy and practice of a long span arch bridge

This paper presents the first of a series of case studies on the seismic design of long span bridges （cable-stayed bridges, suspension bridges and arch bridges） under a cooperative research project on seismic behavior and design of highway bridges between the State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University and the Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research, University at Buffalo. The objective of this series of case studies is to examine the differences and similarities on the seismic design practice of long span bridges in China and the U.S., to identify research needs and to develop design guidelines beneficial to bridge engineers in both countries. Unlike short to medium span bridges, long span bridges are not included in most seismic design specifications, mainly because they are location dependent and structurally unique. In this paper, an available model of a steel tied half through arch bridge with a main span of 550m in China is discussed. Analysis is focused on comparisons of the seismic responses due to different ground motions. Seismic design criteria and seismic performance requirements for long span bridges in both countries were first introduced and compared, and then three near field earthquake records with large vertical components were selected as the excitations to examine the seismic behavior and seismic vulnerability of the bridge. Results show that （1） the selected near field ground motions cause larger responses to key components （critical sections） of the bridge （such as arch rib ends） with a maximum increase of more than twice those caused by the site specific ground motions; （2） piers, longitudinal girders and arch crowns are more vulnerable to vertical motions, especially their axial forces; and （3） large vertical components of near field ground motions may not significantly affect the bridge＇s internal forces provided that their peak acceleration spectra ordinates only appear at periods of less than 0.2s. However, they may have more influence on the longitudinal displacements of sliding bearings due to their large displacement spectra ordinates at the fundamental period of the bridge.     

大跨度拱桥地震动输入模式研究

地震动输入是大跨度桥梁地震反应分析的重要一环。从明确大跨度拱桥的临界跨度入手,探讨了大跨度拱桥地震动输入模式中的行波效应、三向输入及其地震动选取问题。基于某大跨度钢管混凝土拱桥,建立了有限元分析模型,考查了行波效应及三向地震动输入对拱关键截面内力、减隔震支座位移及粘滞阻尼器冲程的影响。结果表明:给出的大跨度拱桥临界跨度确定方法合理,行波效应对拱顶轴力有重要影响,不考虑三向地震动同时作用会明显低估大跨度拱桥的地震反应。确定大跨度拱桥地震动输入模式时需考虑行波效应与三向地震动同时输入。     

强震下拱式体系桥梁震害特征及抗震研究

以汶川地震中拱式体系桥梁震害为主线,总结主拱圈、横向连接系和其它附属构件及减隔震设计拱桥的破坏情况,对国内外拱桥的震害特征及原因进行了剖析。以目前应用数量占优的钢管混凝土肋拱桥为具体背景,对拱式体系桥梁的抗震理论、抗震试验和减隔震设计进行了评述。分析认为拱式体系桥梁竖向和纵桥向抗震存在一定的安全储备,但横桥向存在明显的抗震薄弱环节。针对钢管混凝土肋拱桥横桥向振动及倒塌特点,就目前在拱式体系桥梁中引入防屈曲支撑代替横撑以形成耗能减震结构提出了建议及具体可行设计方式。     

Traveling wave effect on the seismic response of a steel arch bridge subjected to near fault ground motions

In the 1990s, several major earthquakes occurred throughout the world, with a common observation that near fault ground motion (NFGM) characteristics had a distinct impact on causing damage to civil engineering structures that could not be predicted by using far field ground motions. Since then, seismic responses of structures under NFGMs have been extensively examined, with most of the studies focusing on structures with relatively short fundamental periods, where the traveling wave effect does not need to be considered. However, for long span bridges, especially arch bridges, the traveling wave (only time delay considered) effect may be very distinct and is therefore important. In this paper, the results from a case study on the seismic response of a steel arch bridge under selected NFGMs is presented by considering the traveling wave effect with variable apparent velocities. The effects of fling step and long period pulses of NFGMs on the seismic responses of the arch bridge are also discussed.