基础提离及桥墩弹塑性对结构地震反应影响的研究

浅平基桥墩在承受强震作用时其基础与地基之间会发生提离,地基土会进入塑性状态。同时,当结构遭遇设防烈度地震或罕遇地震时,结构往往处于非线性状态,这都会导致桥梁的严重破坏。本文以兰州小西湖黄河大桥为工程背景,采用场地超越概率为10%人工地震波,研究了在弹塑性Winkler地基上同时考虑桥墩塑性时的结构地震反应。通过非线性时程反应分析得到:考虑地基和桥墩的非线性使得桥墩墩顶的位移增大,墩底弯矩减小,这对保护桥墩是有利的;同时得到,小西湖黄河大桥当遭遇罕遇地震(大震)时桥墩已进入屈服,但其屈服曲率不到破坏曲率的1/2,该桥能够满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标。     

铁路多跨矮塔斜拉桥抗震性能评估

以某铁路多跨部分矮塔斜拉桥为研究对象建立了全桥空间动力计算模型,分别采用反应谱法及非线性时程反应法分析了该桥的弹性及弹塑性地震反应,并进行了抗震性能评估。结果表明：（1） 在多遇地震下2#制动墩的顺桥向地震作用较大,控制该桥的抗震设计;（2）在多遇地震下该桥主塔及桥墩的强度均满足规范要求;（3）在罕遇地震下主塔的强度满足规范要求;（4） 在罕遇地震下桥墩的塑性铰转动能力满足要求,且安全储备较大。     

强震下港珠澳连续梁隔震桥抗震性能研究

以实际港珠澳大跨度连续梁隔震桥为研究对象,采用纤维塑性铰单元模拟钢筋混凝土桥墩的非线性状态,建立其三维全桥有限元模型,对隔震及非隔震桥梁进行时程分析,采用桥墩曲率延性比和支座极限容许位移作为桥梁损伤破坏指标,定量评价隔震及非隔震桥梁在罕遇和极罕遇地震作用下的抗震性能,探讨隔震桥梁和非隔震桥梁的破坏模式;并研究材料非线性对桥梁结构地震响应的影响。研究结果表明：是否考虑材料非线性,对非隔震桥梁结构地震响应影响较大,对隔震桥梁影响较小;强震下隔震桥梁抗震性能明显高于非隔震桥梁,且破坏模式也不同于非隔震桥梁;隔震桥梁很好地保护桥墩构件,桥墩未发生任何损伤,而非隔震桥梁其桥墩在极罕遇地震作用时进入了严重破坏状态,且桥墩构件先于盆式支座发生损伤破坏。     

卵形消化池-桩-土相互作用地震反应分析

本文对卵形消化池-桩-土相互作用进行地震反应分析。从分枝模态——二步分析法的基本概念入手,将卵形消化池简化为振动特性和实际结构相同的简化结构,求得上、下部结构之间的耦合项,将耦合项和地震动一起组成修正地震动,以此作为刚性地基上卵形消化池地震反应分析的地震输入,从而求得考虑相互作用影响的卵形消化池地震反应。计算结果表明,在罕遇地震作用下,虽然部分土体进入塑性,池体仍处于弹性工作阶段,并且考虑相互作用影响后得到的卵形消化池地震反应,无论是池体位移还是池壁内力均要小于不考虑相互作用的。本文为解决复杂的卵形消化池-桩-土相互作用问题提供了一种较为实用的分析方法。     

地震下考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系响应分析

本文研究了考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系在地震作用下的响应。根据实际工程,采用ABAQUS有限元软件,建立了考虑桩-土-结构相互作用效应的输电塔-线体系有限元模型。选取不同场地类型下的12条天然地震波,研究了不同地震波激励下考虑桩-土-结构相互作用效应输电塔-线体系动力响应。通过与考虑刚性基础的输电塔-线体系动力响应对比,得到了输电塔的薄弱位置,并提出了基于刚性基础的输电塔抗震放大系数,可为输电塔抗震设计提供参考。     

某廊桥工程大震下的地震反应研究

廊桥结构是具有通行与休憩功能的桥梁结构,由于结构布置不均匀造成桥梁刚度变化很大。罕遇地震荷载作用下其安全性能研究很少,本文采用EPDA程序基于塑性铰理论建立杆件非线性分析模型,对某廊桥进行弹性与弹塑性时程反应分析,通过输入不同地震动以及输入方向的改变,分析廊桥结构的纵向与横向薄弱部位以及梁柱杆件屈服的顺序及塑性铰分布。分析结果表明,设置橡胶隔震支座的廊桥结构能够满足罕遇地震作用下结构延性与承载力要求,但其锁口梁破坏严重,应进行加强,同时建议对桥下部结构框架角部设置竖向腋。     

基于人工地震波作用下大跨度悬索桥多点激励地震响应分析

为研究大跨度悬索桥在多点激励作用下的地震响应规律,在已有的功率谱模型基础上提出了改进的功率谱模型,并将其应用到人工地震波合成过程中。以某水库上主跨720 m双塔单跨悬索桥为研究对象,用Midas civil建立全桥有限元模型,采用大质量法进行不同波速多点激励地震响应分析。结果表明:大跨度悬索桥在多点激励作用下的主塔内力响应、主塔位移响应及主梁位移响应均受行波效应、衰减效应、不相干效应及衰减后地震波叠加效应影响,且最终的响应值由衰减后地震波的叠加效应与衰减效应的共同作用决定;500 m/s多点激励下衰减后的地震波叠加加强效应与衰减效应共同作用后,对主塔轴力响应、主塔塔底顺桥向剪力响应、左塔上横梁处剪力和弯矩响应的加强效果最大;各波速多点激励下,主塔顶顺桥向位移响应相对变化率均大于零且几乎保持不变,主梁两端顺桥向位移响应相对变化率在1 000 m/s波速取得最大值,主梁竖向位移响应在500 m/s取得最大值并随波速的增加逐渐接近一致激励情况。     

高耸混凝土烟囱土-结构相互作用地震反应分析

目前在高耸混凝土烟囱结构抗震设计和抗震性能评估中,由于缺乏合适的计算模型,一般采用刚性地基假定而忽略土-结构相互作用效应,或者采用传统的集中参数模型而忽略土的非线性特性。针对此不足,本文选用240 m高的钢筋混凝土烟囱作为研究对象,采用OpenSees程序,基于非线性文克尔地基梁模型和基于柔度法的分布塑性梁柱单元,建立了土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型,详细介绍了非线性文克尔地基梁模型主要参数的确定方法;研究了地基土非线性对高耸烟囱结构地震反应的影响,给出了考虑土-结构相互作用效应后结构周期、上部结构的内力和变形分布的变化规律。分析结果表明:考虑土-结构相互作用后,结构的自振特性、内力及节点位移都发生了不同程度的改变;考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型,峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数与不考虑土-结构相互作用时的结果之比分别介于0.921~1.219、0.732~1.29和0.822~1.536;而不考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型,峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数与不考虑土-结构相互作用时的结果之比分别介于0.838~1.578、0.92~1.76和0.656~2.831。不考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型的峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数的取值总体上较大,高估了烟囱结构在地震荷载作用下的内力需求。     

大跨度悬索桥地震响应控制分析

以主跨为1 490 m的润扬长江大桥为背景,采用ANSYS软件建立结构有限元模型,计算大跨度悬索桥动力特性。对黏滞阻尼器和软钢阻尼器进行参数敏感性分析,得出控制大跨度悬索桥地震响应的最优参数值,并分析一致激励和行波激励作用下黏滞阻尼器和软钢阻尼器减震效果。研究结果表明,黏滞阻尼器和软钢阻尼器对塔梁相对位移有较好的控制效果,但会使塔底内力有所增加;就位移控制而言,软钢阻尼器的效果更好;在低视波速区间内,黏滞阻尼器和软钢阻尼器减震效果明显存在波动特征;随着视波速的逐渐增大,黏滞阻尼器和软钢阻尼器减震效果受视波速的影响逐渐减小,悬索桥地震响应逐渐平缓,并趋于一致激励作用下的对应值。     

考虑土-结构相互作用与重力二阶效应影响的钢筋混凝土框架结构地震反应分析

本文以一10层钢筋混凝土框架结构为例,采用ATC-40以及FEMA440中推荐的考虑土结构相互作用的方法并且计入重力二阶效应的影响,利用SAP2000进行动力时程分析。通过分析可知,考虑相互作用和重力二阶效应之后,在多遇与罕遇地震作用下,结构的层间位移角大幅变大,基底剪力明显减小,最大层间位移角增大系数在1.614~2.163之间,基底剪力增大系数在0.623~0.843之间,而且场地土越软,结构的层间位移角的增大比例越大。当结构倒塌破坏时,塑性铰主要集中在结构的底部楼层,并且场地土越柔集中现象越明显、破坏时的地震加速度峰值越小,而且计算结果表明,地基土越柔,土结构相互作用与重力二阶效应的影响越明显,不考虑相互作用与重力二阶效应,对于钢筋混凝土框架结构倒塌分析是偏不安全的。     

不同设计参数对高桩码头损伤和破坏特性的影响

基于相同结构不同设计参数的高桩码头建立计算模型,研究两种结构自身动力特性的差异以及在地震作用下抗震性能的差异。研究表明:在相同荷载条件、场地条件、材料用量的前提下六桩码头的刚度要大于八桩码头;天津波作用下六桩码头的桩身加速度响应较大,且两种结构桩身加速度差异值随着震度的增大而增大;在相同峰值的罕遇地震下六桩码头的桩顶位移响应要小于八桩码头,而其残余位移要大于八桩码头;相同荷载条件下八桩码头的延性能力明显强于六桩码头,其极限塑性率是六桩码头极限塑性率的2.28倍;八桩码头在峰值加速度为800gal地震作用下达到极限曲率,六桩码头在峰值加速度为1 150gal的地震作用下达到极限曲率。     

超大型冷却塔随机地震响应分析

为全面掌握核电超大型冷却塔的抗震性能,首先进行结构的模态分析,然后采用振型分解反应谱法和弹性时程分析方法,计算结构在多遇地震作用下的响应,并对结构进行考虑材料和几何非线性的动力弹塑性时程分析,得到结构在罕遇地震作用下的响应。由于超大塔支柱跨度达到170m,还首次对结构进行了考虑行波效应的多点激励分析。结果表明:结构前8阶振型以局部振动为主,直到第9阶出现整体倾覆振型。在多遇地震作用下,支柱的最大位移和基底剪力均满足规范要求,且水平地震反应远大于竖向地震反应。在罕遇地震作用下,支撑结构位移角远小于规范限值,出现的塑性铰数量较少,且主要分布在支柱与壳体的连接处。多点输入对支柱内力影响较为不利,而对支柱位移和塔筒内力影响较小,塑性铰出现的数量稍多且破坏程度更加严重。     

考虑水-桩-土相互作用的单桩式海上风机结构系统自振频率解析解

海上风机结构系统频率是海上风机结构和基础设计考虑的关键因素之一,桩-土相互作用对海上风机结构系统频率影响显著。基于欧拉-伯努利梁理论和传递矩阵方法,考虑水-桩-土相互作用及塔筒变截面特性,建立单桩式海上风机结构系统横向振动自振频率特征方程;将桩-水相互作用等效为附加质量、桩-土相互作用等效为线性弹簧,变截面塔筒等效为多段均匀梁,利用MATLAB中fsolve函数求解固有频率。通过与有限元分析结果进行对比,验证本文方法精度与有效性,并将本文方法应用于实际工程中,研究桩基础埋深、上部质量、转动惯量和桩-水相互作用对单桩式海上风机结构系统自振频率的影响。     

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动（侧扩流）场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明：考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。     

多维地震下考虑桩-土相互作用的曲线桥地震响应分析

为研究曲线桥梁在多维地震激励下考虑桩-土动力相互作用的地震响应特性,本文建立了空间桩-土脱离、摩阻和土体压缩非线性理论分析模型。为简化计算将该非线性弹簧模型进行线性化处理,结合有限元ANSYS分析平台建立了黄土场地的曲线桥仿真分析模型,对考虑桩-土相互作用的曲线桥进行了多维多工况数值分析,对比研究了曲线主梁跨中弯矩、墩底剪力和弯矩及桥墩顶位移的地震响应。结果表明:考虑桩-土相互作用的曲线桥梁主梁跨中内力与地震波输入方向密切相关,三维地震作用下主梁内力最大;各工况地震荷载作用下桥墩底部径向剪力响应比切向剪力响应大很多,而桥墩径向弯矩比切向弯矩略小;同一工况下不同桥墩顶切向位移响应大小相当,而径向位移差异较大。在进行非规则曲线桥梁抗震设计时,应充分考虑多维和单维地震激励输入工况。     

罕遇地震下RC低矮框架失效相关性拟动力试验分析

为研究罕遇地震下低矮结构的失效相关性问题,设计了两榀钢筋混凝土对称与非对称三跨二层框架结构模型,通过拟动力试验,对低矮框架结构在罕遇地震作用下柱截面各约束的失效特点和相关规律进行了统计与分析,以期为低矮结构在罕遇地震作用下的失效相关性理论提供试验支持,文中指出钢筋材性的相对均匀性是造成罕遇地震下大量截面约束同时失效的主要原因。     

强震作用下框架支撑结构的破坏机构及其极限荷载

针对单层框－桁结构体系,运用结构塑性极限分析原理给出了在罕遇地震作用下可能出现的破坏机构及相应的极限荷载半解析解。通过比较分析,得出最可能出现的几种破坏机构,从而可求出最小的破坏地震作用。     

西安钟楼的地震响应分析

为了研究高台基和土-结构相互作用对结构地震反应的影响,以西安钟楼为研究对象,建立了钟楼的上部木结构、上部木结构-高台基和上部木结构-高台基-地基的三维有限元模型。选取了兰州波按照多遇地震和罕遇地震进行了地震反应分析,得出高台基对上部木结构的地震响应起放大作用,表明地震响应应该考虑高台基的影响。当考虑土与结构相互作用时,顶层的振动相对于模型1和模型2分别放大了13.53倍和2.27倍,因此对钟楼结构进行地震响应分析时必须考虑土与结构的相互作用。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明：考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

预应力框架结构在强震作用下的抗震性能研究

随着《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）中极罕遇地震作用概念的提出,有必要对按我国现设计规范的预应力混凝土（PC）框架结构在极罕遇地震作用下的抗震性能进行深入研究。为此,依据我国现规范设计了6榀不同梁截面尺寸、不同抗震等级的PC框架,在OpenSees中对其建立数值模型并对模型的适用性进行验证,然后分别对其进行静力弹塑性分析和基于IDA的易损性分析。研究表明：在罕遇,极罕遇地震作用下,各结构的最大层间位移角均能满足现规范1/50的限值要求,但容易出现“强梁弱柱”的破坏机制;结构的倒塌失效概率均较小,满足“大震不倒”的抗震设防要求;其中抗震等级为三级的PC框架抗震性能最好,具有较高的抗震能力储备;同时,在保证结构具有足够的抗震能力条件下,适当减小框架梁的截面尺寸,能较好地改善结构的破坏机制。