基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(Ⅱ):振动台试验

通过模型振动台试验研究了基于位移设计的钢筋混凝土桥墩的抗震性能。以完成的拟静力试验中的桥墩试件为参考原型,利用基于位移抗震设计方法和现行桥梁抗震规范方法设计了4根1:2的钢筋混凝土桥墩试件并进行了模型振动台试验。对小震、中震和大震作用下桥墩试件的破坏形态、加速度和位移反应、位移延性系数和地震总输入能(耗能)等方面进行了比较分析。综合拟静力试验和振动台试验结果,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求。     

立式钢制储罐基于地震损伤性能的抗震设计方法

针对立式钢制储罐在强烈地震作用下会产生不同程度的损伤的特点，遵循抗震设计规范的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则，结合三水准烈度，提出了储罐的地震损伤性能目标，并给出了基于地震损伤性能的抗震设计方法。所提出抗震设计方法，更加准确地考虑了储罐的提离问题。     

中小跨径桥梁地震作用下横向损伤模式分析

为研究横桥向地震作用下板式橡胶支座对桥梁抗震性能的影响,比较了传统延性抗震设计方法与考虑支座摩擦滑移抗震设计方法的差异,采用Open Sees软件建立桥梁有限元模型,对一简支变连续梁桥进行了非线性增量时程分析,对比研究桥梁支座、挡块和桥墩的受力性能,并根据延性系数对桥梁各构件的损伤顺序进行了分析。研究结果表明:按传统延性体系设计时,桥梁破坏首先从墩底开始,在大震作用下会造成墩底发生严重损伤;考虑支座摩擦滑移时,桥梁损伤首先是支座和挡块的破坏,然后是墩柱发生损伤,支座摩擦滑移后可大大减小传递到下部结构的地震力,大震下桥墩保持弹性或只发生轻微损伤,建议桥梁抗震设计时采用考虑支座摩擦滑移的抗震设计方法。     

基于性能的既有钢筋混凝土建筑结构抗震评估与加固技术研究

根据我国现行的建筑结构抗震规范,无论是新建建筑结构的抗震设计还是既有建筑结构的抗震评估与加固,均通过小震弹性承载力计算 抗震延性构造措施来达到"小震不坏、中震可修、大震不倒"的抗震设防目标(对于不规则且具有明显薄弱部位的建筑结构还需要进行罕遇地震作用下的弹塑性层间变形验算)。对于抗震延性构造措施不满足现行规范的既有建筑结构的评估、改建、扩建,如果仅通过小震弹性的承载力计算,显然无法达到"大震不倒"的目标。本文通过引入国际上先进的基于性能的结构抗震思想,以结构层间位移和结构构件变形作为性能目标,从定量上解决了既有钢筋混凝土建筑结构的抗震评估与加固问题。     

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(I):拟静力试验

通过拟静力试验研究了基于位移设计钢筋混凝土桥墩的抗震性能。利用基于位移抗震设计方法和桥梁抗震规范方法设计了各2根和1根1:2.5比例钢筋混凝土桥墩试件,对低周反复荷载作用下试件试验破坏形态、承载力、位移延性、滞回耗能、刚度退化等方面进行了比较分析,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求,并且在相对耗能能力(与理想弹塑性模型相比)、刚度退化性能方面与现行规范抗震设计方法设计的桥墩相当。试验表明建议的钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法是实际可行的。     

基于损伤分析的旧曲线梁桥抗震性能评估

曲线桥梁在役期间可能面临地震灾害,导致结构损坏甚至坍塌,为了评估在役桥梁的抗震性能,提出基于损伤分析的曲线梁桥抗震性能评估方法。建立旧曲线梁桥有限元模型,基于损伤分析的原理,提出适合曲线梁桥地震响应特性的构件损伤模型,在全桥有限元模型中输入不同类型地震动,计算各构件的损伤指数,并结合旧桥检算系数,由各构件损伤指数综合得到桥梁的整体损伤指数。结果表明:不同地震动下主梁会发生碰撞破坏,桥梁两端的支座容易发生移位,桥墩沿横桥向或顺桥向均会产生位移;不同地震动对主梁、支座、桥墩等构件造成的损害程度有较大差异,各构件的地震响应会影响桥梁整体结构的抗震性能,其中桥墩对桥梁整体抗震性能的影响最大,桥墩位移超过极限值可能导致倒塌;主梁反复碰撞会加剧桥梁的破坏程度,桥梁两端支座在地震作用下更容易发生损坏。     

直接基于位移的连续梁桥目标位移确定方法研究

目标位移的确定是直接基于位移的结构抗震设计方法的研究重点之一。现有的方法仅考虑了单个桥墩在地震中的反应,不能反映桥梁体系的真实情况。本文应用力学基本原理和塑性铰模型建立了钢筋混凝土桥墩在不同质量分布形式下的以墩底曲率表达的单墩目标位移方程。同时,考虑不同质量分布形式以及桥墩与上部结构连接方式的影响给出了整桥体系纵桥向的目标位移计算方法;对于横桥向,推导了一种简化的估计上部结构位移形状的方程,并依据该方程给出了整桥体系横桥向目标位移的计算方法。该方法的计算结果更贴近结构真实反应,可为结构设计提供更可靠的依据。     

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(Ⅰ):拟静力试验

通过拟静力试验研究了基于位移设计钢筋混凝土桥墩的抗震性能。利用基于位移抗震设计方法和桥梁抗震规范方法设计了各2根和1根1：2．5比例钢筋混凝土桥墩试件,对低周反复荷载作用下试件试验破坏形态、承载力、位移延性、滞回耗能、刚度退化等方面进行了比较分析,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求,并且在相对耗能能力（与理想弹塑性模型相比）、刚度退化性能方面与现行规范抗震设计方法设计的桥墩相当。试验表明建议的钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法是实际可行的。     

中欧规范RC桥墩抗震设计及验算方法对比研究

地震作用下钢筋混凝土（RC）桥墩容易损坏。为完善RC桥墩的抗震设计及验算方法,对比最新中国和欧洲规范中关于RC桥墩的延性抗震设计及验算方法的不同之处。基于Midas/Civil软件所建立的常规连续梁桥有限元模型,对比分析采用中欧规范开展的RC桥墩延性抗震设计及验算结果。结果表明:中欧规范中关于RC桥墩的延性抗震设计理念、抗剪和变形验算方法及延性构造细节均有区别。基于中欧规范设计的RC桥墩配筋情况存在差异。与中国规范相比,欧洲规范关于RC桥墩的横向钢筋配筋率和纵筋最小配筋率要求较高,有利于保证结构的抗剪强度和延性;箍筋最大间距要求较低,不利于防止纵筋压曲。     

基于能量分析的地震损伤性能评估

结合能量分析法和文献[1]提出的钢筋混凝土框架结构“三水准”地震损伤性能目标,采用改进的双参数线性组合地震损伤模型,本文提出了基于能量分析的地震损伤性能评估方法;通过算例说明了本文提出的抗震性能评估方法不仅能够准确地分析结构在大震作用下的地震损伤性能,而且思路简洁、计算方便、可用于结构抗震性能评估;另外,本文提出的地震损伤模型具有较强的灵活性,可适用于不同钢筋混凝土构件和结构的抗震性能评估。     

限制位移桥墩的连续刚构桥抗震性能研究

沿着摇摆桥墩的概念提出一种限制位移桥墩连续刚构桥体系。该体系通过对连续刚构桥墩底和承台之间采取一定措施,使桥梁在地震发生时能够在限制的位移量内活动,减小输入到桥梁结构中的能量,达到减震的目的。通过对一座铁路连续刚构桥的分析,发现这种限制位移桥墩连续刚构桥体系能大幅减小桥墩的延性和强度地震需求,减震效果明显,在选择合适的限制位移量的情况下,可保证桥墩在高烈度罕遇地震作用下几乎保持弹性工作状态,震后经简单处理即可保证使用功能,为震后救援工作带来极大便利,也大大减少了修复成本。     

曲线桥梁摩擦滑移隔振试验及隔振机理研究

针对曲线桥梁在地震中因固定支座处及桥墩底部受力过大而破坏严重的现象,提出考虑支座摩擦滑移隔震的曲线桥梁抗震设计方法,通过大型振动台模型试验,研究曲线桥梁考虑支座摩擦滑移时的隔震机理。试验结果表明:支座摩擦滑移可有效减小地震作用下曲线桥梁的桥墩加速度响应,但同时会增加桥墩与梁体间的相对位移;曲线桥梁进行隔震设计后,桥墩的应变响应明显减小,证明该设计方法可有效避免地震作用下桥墩底部产生较大的损伤;最后,探讨了考虑支座摩擦滑移时曲线桥梁的隔震机理并与震害进行了对比验证。研究成果可为曲线桥梁的减震隔设计提供新的视角。     

考虑动水压力影响的单柱式桥墩地震反应分析

在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。     

多维多点激励下考虑支座摩擦滑移及结构碰撞的非规则桥梁抗震性能研究

以一座典型山区非规则梁桥为研究对象,建立了该桥梁多维多点激励下的多自由度动力计算模型,研究了该桥梁在多维多点激励下考虑支座摩擦滑移及结构碰撞等非线性因素时的抗震性能。研究结果表明:相比一维地震输入,多维地震可使结构的动力响应增加,桥墩底部弯矩需求增大;相比一致激励,多点激励可使得支座的位移需求增大,且地震波最后到达的桥墩上方支座位移最大;同时考虑多点激励和碰撞效应可使桥墩的弯矩需求增加;水平地震作用下,矮墩上部的支座容易滑动,且双向地震较单向地震更明显,三向地震输入较双向有所增强。因此,对山区非规则梁桥进行抗震设计时应有针对性地进行多维多点地震输入计算,找出结构的最大地震需求,以期指导设计。     

近场地震下简支梁桥搭接长度需求分析

随着交通网络向偏远地区辐射,桥梁结构会不可避免的出现靠近断层的情况,受到近断层地震动的影响显著。为了研究近场地震作用下简支梁桥的搭接长度需求,基于ANSYS平台建立了简支梁桥的弹塑性分析模型。通过动力响应分析、弹塑性分析和抗剪能力分析,探讨了近场地震动的脉冲效应对简支梁桥搭接长度的影响。研究表明：近场地震动的脉冲效应放大了结构的地震响应,脉冲型地震和非脉冲地震作用时的最大墩梁相对位移分别为115.1 cm和41.5 cm;两类地震作用时的最大剪力分别为1 892.5 kN和1737.8 kN,最大剪力剪切强度比为0.82;当PGA≥0.4 g时,脉冲型地震作用下桥墩底部塑性铰区的最大转角超过极限转角,桥墩发生破坏,而非脉冲型地震PGA=1.0 g时的塑性铰转角小于极限转角;当PGA=1.0 g时,塑性铰破坏前墩梁相对位移为37 cm,占规范搭接长度的41.8%,近场地震作用下简支梁桥的搭接长度需求满足规范要求。     

Controlled rocking pile foundation system with replaceable bar fuses for seismic resilience

Bridges designed following a conventional approach minimize the risk of collapse, but often require challenging, costly, and time-consuming restoration after an earthquake occurs. The new seismic design philosophy requires bridges to maintain functionality even after severe earthquakes. In this context, this paper proposes a controlled rocking pile foundation (CRPF) system and numerically evaluates bridges′ degree of seismic resilience. The CRPF system allows a pile cap to rock on a pile foundation and dissipate seismic energy through inelastic deformations of replaceable bar fuses that connect a pile cap and piles. Following the conceptual design of the CRPF system, two analytical models were developed for a bridge pier utilizing the CRPF system and a pier designed to develop a plastic hinge in its column. The analytical results indicate that, after experiencing a severe earthquake, a conventionally designed bridge pier sustained substantial damage in its column and exhibited significant residual displacement. In contrast, a pier using the CRPF system showed negligible residual displacement and maintained elastic behavior except, as expected, for bar fuses. The damaged fuses can be rapidly replaced to recover bridge seismic resistance following an earthquake. Therefore, the CRPF system helps to achieve the desired post-earthquake performance objectives.

     

Elastically supported cantilever beam subjected to nonstationary seismic excitation

The dynamic behaviour of bridge piers under seismic load is studied here in the context of random vibration. The earthquake excitation is modelled as white noise filtered by the Clough–Penzien filter in cascade with modulation accounting for intensity non-stationarity. The bridge pier modelled as an elastically supported cantilever beam witha lumped mass at the top. An analytical solution is presented for the response statistics, which may be used to develop probabilistic seismic response spectra for design. It is found that the first two modes of the pier approach to rigid-body motion when the stiffness of the elastic support decreases. Seismic responses increase with the top mass, resultingin significantly high displacement and shear but negligible moment at the top, and higher shear and moment at thebase. Lower stiffness of the elastic support increases the pier top displacement and moment responses, but may increase or reduce shear responses. The probabilistic spectrum of the relative displacement between the bridge superstructure and the pier top may depend on the two systems’ relative modal properties. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑流固强耦合效应的深水桥墩地震反应分析

基于任意拉格朗日-欧拉（Aribitrary Lagrange-Euler,ALE）描述的Navier-Stokes方程,建立了考虑流固强耦合效应（Fluid-structure interaction,FSI）的深水桥墩地震反应分析整体有限元模型,分析了流固强耦合效应对桥墩墩身相对位移、剪力和弯矩反应的影响,讨论了不同水位下的流固耦合效应及其影响。算例结果表明：流固强耦合效应将使墩身位移和内力反应明显增大,增大幅度与输入地震波的频谱特性存在相关性;输入地震波的位移峰值越大,流固耦合效应对位移反应的影响越大,对内力反应的影响越小;水位对深水桥墩内力反应的影响较对位移的影响显著。     

高烈度区深水斜拉桥动水效应及抗震体系研究

位于高烈度区的深水斜拉桥在地震下不仅会受到强震的作用,还会受到附近水体的作用,结构抗震要求高,选择合理的抗震体系非常重要.以云南格巧高速双河特大桥为工程实例,分析动水作用对斜拉桥地震响应的影响及其与地震强度的关系,在此基础上对斜拉桥的纵、横向抗震体系展开研究并给出合理建议.结果表明,动水作用会增大索塔塔底内力和结构整体位移响应,且对剪力的影响最大;动水对结构各响应的放大作用随地震强度增加呈现出增减不一的变化趋势,抗震设计时应分别考虑各级地震下的动水效应;索塔、辅助墩和桥台处均设置黏滞阻尼器等阻尼约束的纵向协同抗震体系能够最有效减小墩、塔底纵向内力及结构纵向位移,建议作为斜拉桥纵向抗震体系; 斜拉桥横向推荐采用索塔处设置固定约束、墩台处设置钢阻尼器等弹塑性约束的组合约束体系,该体系能同时降低墩、塔底横向内力,并有效控制结构整体横向位移响应.     

Rapid repair of severely earthquake-damaged bridge piers with flexural-shear failure mode

An experimental study was conducted to investigate the feasibility of a proposed rapid repair technique for severely earthquake-damaged bridge piers with flexural-shear failure mode. Six circular pier specimens were first tested to severe damage in flexural-shear mode and repaired using early-strength concrete with high-fluidity and carbon fiber reinforced polymers (CFRP). After about four days, the repaired specimens were tested to failure again. The seismic behavior of the repaired specimens was evaluated and compared to the original specimens. Test results indicate that the proposed repair technique is highly effective. Both shear strength and lateral displacement of the repaired piers increased when compared to the original specimens, and the failure mechanism of the piers shifted from flexural-shear failure to ductile flexural failure. Finally, a simple design model based on the Seible formulation for post-earthquake repair design was compared to the experimental results. It is concluded that the design equation for bridge pier strengthening before an earthquake could be applicable to seismic repairs after an earthquake if the shear strength contribution of the spiral bars in the repaired piers is disregarded and 1.5 times more FRP sheets is provided.