考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题。以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型。以正弦位移波输入,考察结构材料模量、水流流速和水位、激振频率和位移幅值等多种因素,分析了结构表面作用的动水压力反应特征以及水流动力效应,探讨了水流动力效应的主要影响因素。结果表明：考虑流固强耦合作用时,结构表面作用的动水压力及其分布具有强烈的频率依赖性,高频激励可显著增强动水压力作用;由于结构周围流体具有一定的粘滞性及动载作用下具有较强的辐射阻尼效应,水流动力效应对结构的位移、内力反应均有一定的抑制作用;激振频率、水流流速和水位以及结构材料模量等因素,对水流动力效应均有一定的影响。     

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。     

波浪力对深水桥墩结构在地震和冰荷载作用下的响应影响分析

考虑到波浪力对深水桥墩地震响应和冰振响应的影响,本文基于非线性Morision方程,同时考虑附加质量效应和流固耦合效应,通过建立深水桥墩结构有限元分析模型及动力平衡方程,对深水桥墩结构进行了波浪、冰荷载、地震3种环境激励荷载单独作用下,以及不同组合形式共同作用下的数值分析;进而对计算结果进行了比较,探讨了动水压力对深水桥墩结构响应的影响程度,可为今后深水桥墩抗震以及抗冰设计提供一定的借鉴和参考。     

墩-水耦合计算模式及深水桥墩动力响应研究

为了研究地震作用下动水压力对深水桥墩的影响,以声波动理论为基础,通过对流体域边界条件的简化和流体域范围的探讨,建立了一种改进的墩-水耦合有限元模型,并提出了常用深水桥墩的理想流体域范围图。分别讨论了深水桥墩在简谐荷载、地震荷载作用下的动力响应,结果表明:动水压力增大了桥墩的动力响应,增幅在20%到50%之间,不可忽视;当桥墩基频越接近简谐荷载激励频率或地震波主频有效带宽区间时,动水压力的影响越大。     

考虑流固耦合作用的深水桥墩地震响应分析

地震作用下,深水桥墩与周围水体的耦合振动是一个非常复杂的动力相互作用问题。本文基于非线性Morison方程,采用Airy波浪理论,建立了深水桥墩考虑流固耦合作用的有限元模型,应用Newmark—β法提出了求解该耦合非线性方程的算法,并用ANSYS软件和Matlab软件自编了求解程序。以某跨海大桥深水桥墩为算例,对其进行在地震作用下的非线性动力分析,并与已有计算方法进行对比。结果表明：按本文方法计算的墩顶最大位移、墩底最大剪力及墩底最大弯矩均较大,差异最大达到12．5％。因此在极端海况条件下,对深水桥墩进行地震作用下的动力分析时,建议采用本文考虑流固耦合的方法。     

动水压力对深水桥墩地震响应影响的研究综述

地震激励下处于深水中的桥墩和周围水体的相互作用将对桥梁结构的动力响应产生较大影响。首先对地震作用下水-桥墩的相互作用理论做了概括,给出了动水压力对桥墩的作用效应及各自的适用范围;对主要的三种考虑流固耦合效应的分析方法做了对比,探讨了地震作用下影响水-结构相互作用的主要因素,并对今后的研究提出了建议。     

深水连续刚构桥地震响应分析

本文探讨连续刚构桥在深水中地震响应的特性.首先建立了地震作用下深水桥梁的运动方程,简要阐述了该运动方程的求解方法,应用该运动方程,对一座桥墩淹没水深168m的连续刚构桥进行了地震响应分析,考察了在纵向、横向激励作用下桥墩的内力响应和位移响应特征,探讨了矩形空心截面桥墩内域水、外域水对桥墩地震响应的影响,结果表明,由于墩-水相互作用,桥墩的位移和内力响应均有明显增大,对于矩形空心墩,内域水和外域水的影响应同时计入.     

地震动相干效应对高墩大跨铁路桥梁的动力响应影响

地震动相干效应会导致桥梁结构的动力响应有别于一致激励。为了研究相干效应对高墩大跨桥梁这种重要构筑物动力响应的影响,以西部某高墩大跨连续刚构铁路桥实际工程为研究对象,利用相位差谱人工地震波合成技术,建立了考虑相干效应的高墩大跨桥梁数值分析模型。对比分析了纵向和横向地震激励下,部分相干效应对结构动力响应的影响,并与一致激励的情况进行了对比,研究了不同工况下主梁和桥墩内力响应的变化规律。结果表明:纵向激励下,部分相干效应对连续刚构桥高墩影响明显,其弯矩、剪力和相对位移均为最大值,墩高对其非常敏感,且会增大该桥伸缩缝位移响应;横向激励下,部分相干效应对连续梁桥体系的桥墩剪力、弯矩和位移响应有明显放大作用。     

波浪作用对单柱式桥墩地震反应特性的影响

以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑波浪作用影响的单柱式桥墩-桩-土体系非线性地震反应分析二维有限元模型,土体以四节点实体单元离散,采用土体粘塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性;桥墩以及桩以两节点梁单元离散,采用动塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;根据Stokes五阶波浪理论,将基于Morison公式计算所得的波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,比较了静水条件下和考虑波浪作用时不同地震动激励下单柱式桥墩结构的地震反应特性,结果表明:波浪作用的影响使桥墩墩身相对墩底的位移反应、桥墩墩底的剪力和弯矩反应有较明显的增大,但对桥墩墩身加速度反应的影响可忽略不计,波浪作用影响的大小与输入地震动特性有关.在单柱式桥墩的抗震设计中考虑波浪作用的影响是必要的。     

大跨曲线桥多点激励下的地震响应分析

用相位谱表征地震动频率的非平稳特性,用相干函数表征地震动空间变化的不相干效应,采用随频率变化的等效相速度代替随意给定的视波速表征地震动的行波效应,生成了具有强度和频率非平稳特性的多点地震动。将这种考虑时间和空间变化的地震动在水平方向作用于5跨高墩连续刚构曲线桥桥墩基础处,计算了墩顶位移及墩底内力,分析了大跨曲线桥多点输入中不相干效应和行波效应对结构响应的影响。结果表明考虑地震动空间变化特性的墩顶位移峰值多数显著大于一致激励。相干性显著增大了激励方向墩底的动内力,但对拟静力位移差动产生的内力有时增大有时减小,两者叠加后的总内力峰值多数大于一致激励。     

基于纤维模型的高墩连续刚构桥地震行波效应分析

本文基于在MSC.Marc中加入纤维模型编制的THUFIBER程序的基础上,分别采用纤维模型和三维实体单元模型模拟桥墩和上部结构,建立高墩大跨连续刚构桥有限元模型。同时,采用2008年汶川地震波,分析了行波效应对四川某高墩大跨连续刚构桥非线性地震反应的影响。结果表明：行波效应对高墩桥的墩顶位移和墩底剪力影响较大,墩顶位移减小了20%—50%;而墩底剪力增大了20%—30%。     

高承台下自由桩长对双薄壁墩连续刚构桥地震响应的影响

为探究高承台下自由桩长对双薄壁墩连续刚构桥地震响应的影响,基于OpenSees程序建立了实桥有限元模型并进行弹塑性时程分析,通过对比不同自由桩长模型的时程曲线、峰值响应及滞回特性,分析了自由桩长对桥梁地震响应的影响。结果表明:自由桩长增加会减小桥梁刚度;地震作用下,随自由桩长增加,主梁、支座及自由桩顶的水平位移增大,且支座位移增幅大于主梁和桩顶的位移增幅,墩底内力及变形减小;地震作用下,桥梁边墩的横桥向曲率大于中墩,矮墩的纵桥向曲率大于高墩,边墩的内肢墩较外肢墩更易遭受破坏。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

活动支座摩擦力对简支梁桥地震反应的影响

本文介绍在地震作用下活动支座摩擦力简支梁桥桥墩内力和活动支座外墩,梁相对位 影响,以及水平地震系数,摩擦系数变化对固定支座水平地震荷载的影响。文中建议了考察活动以座摩擦力的简支梁桥整体分析模型。     

考虑支座摩擦滑移及结构碰撞的非规则人字形桥梁地震响应分析

针对非规则人字形桥梁在地震作用下灾变严重的问题,以一座非规则人字形桥梁为研究对象,建立其空间分析模型,研究综合考虑支座摩擦滑移、结构碰撞对非规则人字形桥梁地震响应的影响。结果表明:邻梁间的碰撞作用可使得桥梁墩顶位移及内力相比不考虑时有所减小,但同时也使梁体产生了较大的加速度脉冲效应;当考虑支座摩擦滑移和结构碰撞时,固定墩墩顶位移和邻梁相对位移峰值有一定程度增大,然而对梁体加速度脉冲效应结果影响并无统一规律;纵向地震波作用下,非规则人字形桥梁不仅存在顺桥向的碰撞,横桥向的碰撞响应也不容忽视。非规则人字形桥梁进行抗震设计计算时应选取符合实际情况的计算模型,考虑支座摩擦滑移及结构间的碰撞。     

不同约束方式对匝道桥动力特性的影响研究

近年来,地震作用下的匝道桥表现出较高的地震易损性。为建立匝道桥的有效约束方式,以减小其地震损伤,本文基于汶川地震中连续梁桥约束方式的调研结果,建立了4种不同匝道桥支座约束方式,并以石家庄石环线某匝道桥为例,对比分析了不同约束方式下匝道桥的自振特性及地震响应。结果表明:板式橡胶支座具有一定的剪切变形能力,可降低桥墩与支座组成的体系刚度,有效分散了上部结构的地震惯性力,保护了下部结构,但应注意其引起的较大主梁位移;固定支座或墩梁固结形式会放大桥墩受力,增加下部结构的损坏,不宜设置在高度较矮、刚度较大的桥墩上;双层挡块和垫石凹槽分级限位支座具有较好的限位能力,并可耗散部分地震能量。