精细化纤维梁柱单元模拟分析平台FENAP的开发

为精细化模拟桥梁结构的非线性行为,在深入分析纤维梁柱单元模型原理的基础上,本文基于ABAQUS建立了钢筋混凝土精细化纤维梁柱单元模拟平台FENAP,开发了与其相适应的材料模型库FENAP/MAT,涵盖了多种材料本构模型,能够有效考虑构件的刚度退化和强度退化等损伤效应,以及模拟轴力和弯矩的多维耦合效应等复杂非线性动力行为,且可考虑箍筋对混凝土的约束作用等。利用该FENAP平台数值模拟了一个钢筋混凝土矩形截面悬臂梁,进行了Pushover分析,考虑了箍筋对核心混凝土约束效应的影响,并与OpenSEES的计算结果进行对比。结果表明:FENAP平台可有效模拟桥梁构件的多种复杂非线性行为,且具有很好的计算效率和求解精度。     

利用FRP材料的钢筋混凝土桥墩震后修复效果影响因素分析

为研究基于FRP材料的钢筋混凝土桥墩震后修复技术,以Seible等提出的基于FRP材料的桥墩抗震加固设计计算公式为基础,分析了填补材料、箍筋等因素对震后破坏桥墩修复效果的影响.提出以折减系数k表示箍筋震后抗剪承载力损失;采用高流动性早强混凝土作为填补材料时,混凝土强度应比原桥墩混凝土强度适当提高;为使修复后的钢筋混凝土桥墩承载力和延性得到较好地恢复,需考虑FRP用量及粘贴形式、桥墩纵筋、长细比、截面形式、轴压比等因素对修复效果的影响.     

应变率对钢筋混凝土柱动态特性的影响

文中以OPENSEES有限元软件为工具,利用基于柔度法的钢筋混凝土柱纤维单元,考虑钢筋与混凝土材料的应变率效应,对钢筋混凝土柱进行了动态响应分析,并用试验结果验证了文中方法的正确性.通过数值模拟,研究了钢筋混凝土柱在不同轴压比、不同混凝土强度、不同纵筋率条件下的动态力学特性.结果表明,随着轴压比的提高,钢筋混凝土柱的应...     

考虑轴-弯-剪耦合效应的钢筋混凝土柱滞回性能研究

试验研究及震害调查发现:由于配箍不足或箍筋间距过大,地震作用下钢筋混凝土柱易发生剪切破坏,继而发生轴向破坏。采用纤维截面的钢筋混凝土梁柱单元及与之串联的剪切弹簧以及轴向弹簧考虑钢筋混凝土柱的轴-弯-剪耦合效应,其中纤维梁柱单元用于模拟柱的弯曲机制,与梁柱单元串联的剪切弹簧和轴向弹簧用于模拟剪切机制和轴向机制,并利用单轴材料模型中的Limit State Material及其相应的Shear Limit Curve和Axial Limit Curve确定材料的剪切破坏与轴向破坏失效点,最终从单元层次上定义轴-弯-剪耦合效应。为验证该数值模型的合理性,选取不同破坏形式、轴向力与水平循环往复荷载共同作用下拟静力试验的钢筋混凝土柱,借助Open Sees分析软件模拟其滞回性能。模拟结果与试验结果的对比分析表明:考虑轴-弯-剪耦合的串联模型能较好地模拟钢筋混凝土柱的强度、刚度退化及捏拢效应等,且能够反映钢筋混凝土构件在复杂应力条件下的受力性能。     

钢管混凝土桥墩抗震性能试验研究

为研究钢管混凝土桥墩的抗震性能,对钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩进行了拟静力对比试验研究。根据试件的破坏发展过程以及各试件的滞回曲线和骨架曲线,分析了其滞回性能、耗能能力、延性、强度退化及刚度退化等抗震性能。试验结果表明,钢管混凝土桥墩的抗震性能明显好于钢筋混凝土桥墩。在含钢率和轴力相同的情况下,钢管混凝土桥墩的滞回曲线比钢筋混凝土桥墩丰满得多,前者的耗能能力约为后者的4.46倍,钢管混凝土桥墩的延性大于钢筋混凝土桥墩;随着轴压比的增大,钢管混凝土桥墩延性有所下降,强度退化加快,但对其刚度退化的影响不大。     

局部锈蚀矩形RC墩重度震损后加固试验研究

为探究局部锈蚀矩形截面钢筋混凝土（RC）桥墩重度震损加固后的抗震性能,本文对拟静力破坏后的6个矩形截面RC桥墩试件进行扩大截面加固。通过加载试验,对加固桥墩试件从破坏形态、滞回特性、水平承载力、位移延性、侧向刚度以及耗能等方面进行了系统分析。结果表明:相比于普通箍筋,横向施加预应力的改进扩大截面加固方式对破坏后桥墩试件的抗震性能修复成效更佳;在同等位移幅值下,锈蚀率不断增大,桥墩试件抗震性能呈现逐渐降低的趋势;钢筋锈蚀位置上移,加固后桥墩试件的抗震性能提升;轴压比加大,加固后桥墩试件承载力和侧向刚度增大,但延性降低。     

配置HRB500高强钢筋混凝土受弯桥墩抗震性能

通过对7个混凝土桥墩试件进行低周往复加载试验,研究配置HRB500高强钢筋的混凝土桥墩的抗震性能。分析轴压比、纵筋强度、箍筋强度和箍筋间距对混凝土桥墩抗震性能的影响。研究结果表明:随着桥墩试件轴压比增加,试件的滞回特性降低,承载能力提高,但变形能力及延性性能降低;加密箍筋能够改善桥墩试件的滞回性能和减缓桥墩的刚度退化,提高桥墩的承载能力及变形能力和延性性能。配置高强钢筋的滞回特性、承载能力、变形能力和延性性能等抗震性能指标优于配置普通钢筋的试件,其中同时配置高强纵筋箍筋的桥墩试件抗震性能指标情况最优。     

型钢混凝土异形柱的轴压比限值研究

利用有限元数值积分法编写了型钢混凝土(SSC)异形柱轴压比限值的计算机程序,利用该程序可以计算任意荷载角、任意配钢形式的SSC异形柱的轴压比限值.对不同配钢形式、不同配钢率、不同截面尺寸、不同混凝土强度等级、不同荷载角作用下的SSC异形柱的轴压比限值进行深入分析.得出了以下主要结论:荷载角、配钢形式、截面尺寸对轴压比限值有明显影响;合理配钢的SSC异形柱的轴压比限值比钢筋混凝土(RC)异形柱有所提高;箍筋约束混凝土作用对轴压比限值有明显提高.     

不同轴压比钢筋混凝土圆柱桥墩地震易损性分析

以墩顶漂移率为指标运用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土桥墩进行地震易损性分析。对钢筋混凝土桥墩模型进行精细网格划分,运用循环往复Pushover方法模拟钢筋混凝土桥墩破坏界限值,以此界限值为标准对轴压比为0.20、0.22、0.24、0.26和0.30钢筋混凝土桥墩进行增量动力分析（IDA）。研究结果表明:结构的破坏超越概率,随着轴压比的增大而增大;考虑钢筋混凝土桥墩延性抗震性能,设计轴压比不宜超过0.30;轴压比为0.24~0.26时,钢筋混凝土桥墩破坏概率增加不大,宜为合理的轴压比。     

强约束大尺寸钢筋混凝土柱轴心受压试验研究

为研究箍筋强约束钢筋混凝土柱的轴心受压性能,完成了7根配箍特征值0.22-0.47、截面尺寸600mm×600mm的大尺寸钢筋混凝土柱试件的轴心受压试验研究。结果表明,试件的破坏形态均是纵筋受压屈曲,中部箍筋外凸,部分箍筋拉断,混凝土保护层剥落;除个别试件外,大部分试件核心区混凝土未压碎;强约束能有效提高钢筋混凝土柱的轴心受压承载力和竖向变形能力;达到峰值竖向应力时,纵向钢筋受压屈服,提供竖向承载力,箍筋受拉屈服,对核心混凝土起到约束作用。以小尺寸试件试验建立的约束混凝土应力-应变关系,可以较好地预测本文试件峰值前的应力-应变关系和峰值应力,但有可能高估混凝土的峰值应变及峰值后的变形能力。     

Shaking table tests of a reinforced concrete bridge pier with a low-cost sliding pendulum system

After the occurrence of various destructive earthquakes in Japan, extensive efforts have been made to improve the seismic performance of bridges. Although improvements to the ductile capacities of reinforced concrete (RC) bridge piers have been developed over the past few decades, seismic resilience has not been adequately ensured. Simple ductile structures are not robust and exhibit a certain level of damage under extremely strong earthquakes, leading to large residual displacements and higher repair costs, which incur in societies with less-effective disaster response and recovery measures. To ensure the seismic resilience of bridges, it is necessary to continue developing the seismic design methodology of RC bridges by exploring new concepts while avoiding the use of expensive materials. Therefore, to maximize the postevent operability, a novel RC bridge pier with a low-cost sliding pendulum system is proposed. The seismic force is reduced as the upper component moves along a concave sliding surface atop the lower component of the RC bridge pier. No replaceable seismic devices are included to lengthen the natural period; only conventional concrete and steel are used to achieve low-cost design solutions. The seismic performance was evaluated through unidirectional shaking table tests. The experimental results demonstrated a reduction in the shear force transmitted to the substructure, and the residual displacement decreased by establishing an adequate radius of the sliding surface. Finally, a nonlinear dynamic analysis was performed to estimate the seismic response of the proposed RC bridge pier.     

钢筋混凝土圆截面桥墩抗震加固方式对比分析

为研究不同加固方式对钢筋混凝土(RC)圆截面桥墩抗震性能的影响,利用OpenSees有限元软件建立了普通RC桥墩以及分别采用钢套管、碳纤维增强聚合物(CFRP)、体外预应力筋进行加固的桥墩数值分析模型,对模型输入远断层地震动,进行增量动力分析。以墩顶峰值位移角与震后残余位移角为指标,对比分析了桥墩加固前后的地震响应。结果表明:采用钢套管、体外预应力筋和CFRP加固后,RC桥墩的峰值位移与震后残余位移均减小,钢套管加固方式对桥墩峰值位移的降低幅度最大,体外预应力筋加固方式对抑制桥墩震后残余位移的效果最好;随着剪跨比的增大,3种加固方式对桥墩在地震动作用下位移响应的抑制作用均逐步减小;随着轴压比的增大,3种加固方式对RC桥墩峰值位移的抑制作用逐步降低。     

Seismic response predictions of multi‐span steel bridges through pushover analysis

In the new trend of seismic design methodology, the static pushover analysis is recommended for simple or regular structures whilst the time‐history analysis is recommended for complex structures. To this end, the applicable range of the pushover analysis has to be clarified. This study aims at investigating the applicability of pushover analysis to multi‐span continuous bridge systems with thin‐walled steel piers. The focus is concentrated on the response demand predictions in longitudinal or transverse directions. The pushover analysis procedure for such structures is firstly summarized and then parametric studies are carried out on bridges with different types of superstructure‐pier bearing connections. The considered parameters, such as piers' stiffness distribution and pier–0.5ptdeck stiffness ratio, are varied to cover both regular and irregular structures. Finally, the relation of the applicability of pushover analysis to different structural formats is demonstrated and a criterion based on the higher modal contribution is proposed to quantitatively specify the applicable range. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Analytical investigations of seismic responses for reinforced concrete bridge columns subjected to strong near-fault ground motion

Strong near-fault ground motion, usually caused by the fault-rupture and characterized by a pulse-like velocity- wave form, often causes dramatic instantaneous seismic energy (Jadhav and Jangid 2006). Some reinforced concrete (RC) bridge columns, even those built according to ductile design principles, were damaged in the 1999 Chi-Chi earthquake. Thus, it is very important to evaluate the seismic response of a RC bridge column to improve its seismic design and prevent future damage. Nonlinear time history analysis using step-by-step integration is capable of tracing the dynamic response of a structure during the entire vibration period and is able to accommodate the pulsing wave form. However, the accuracy of the numerical results is very sensitive to the modeling of the nonlinear load-deformation relationship of the structural member. FEMA 273 and ATC-40 provide the modeling parameters for structural nonlinear analyses of RC beams and RC columns. They use three parameters to define the plastic rotation angles and a residual strength ratio to describe the nonlinear load- deformation relationship of an RC member. Structural nonlinear analyses are performed based on these parameters. This method provides a convenient way to obtain the nonlinear seismic responses of RC structures. However, the accuracy of the numerical solutions might be further improved. For this purpose, results from a previous study on modeling of the static pushover analyses for RC bridge columns (Sung et al. 2005) is adopted for the nonlinear time history analysis presented herein to evaluate the structural responses excited by a near-fault ground motion. To ensure the reliability of this approach, the numerical results were compared to experimental results. The results confirm that the proposed approach is valid.     

高强钢筋ECC-RC复合桥梁地震易损性分析

考虑高强钢筋、ECC等高性能材料在桥梁工程中的推广应用,针对普通钢筋混凝土桥墩抗震性能相对较差的情况,研究高强钢筋ECC-RC复合桥墩的桥梁抗震性能。通过OpenSees平台建立普通RC桥墩桥梁、ECC-RC复合桥墩桥梁及高强钢筋ECC-RC复合桥墩桥梁非线性有限元模型,采用增量动力法和"能力需求比"分析方法建立桥梁各构件及系统的地震易损性曲线,探讨高强钢筋及ECC对桥梁抗震性能的影响。研究表明:ECC-RC、高强钢筋ECC-RC复合桥墩及其桥梁系统的地震易损性均有改善,且高强钢筋ECC的改善效果更显著,高强钢筋ECC-RC复合桥墩支座的地震易损性有所降低,高强钢筋及ECC的应用有助于提高桥墩和桥梁系统抗震性能和安全性,特别是在中震及大震作用下这一现象更加明显。     

基于地震易损性分析的平塘特大桥关键构件破坏顺序研究

为探究山区超高墩三塔大跨斜拉桥在地震作用下各关键构件（桥塔、支座、基础和桥墩）的破坏顺序,以在建的贵州平塘特大桥为工程依托,首先基于OPEENSEES软件建立空间有限元模型,然后基于概率理论建立斜拉桥地震易损性模型,最后以混凝土应变和支座相对位移为易损性指标进行增量动力分析,得到各构件易损性曲线,并基于各构件的易损性曲线对此类桥型的构件破坏顺序进行分析。研究表明：横向地震对该斜拉桥造成的破坏程度要大于纵向地震;在纵向地震作用下桥梁结构最易发生破坏的是中塔支座和边塔基础,在横向地震作用下桥梁结构最易发生破坏的是边塔支座和过渡墩基础。     

城市独柱墩桥梁结构体系非线性抗震研究

针对城市桥梁采用的独柱墩连续梁桥具有的缺点,提出了采用两跨T形刚构桥梁的结构形式。利用非线性时程分析方法,考虑钢筋混凝土桥墩材料的非线性,对两种桥梁结构在纵向地震动作用下的非线性地震反应行为进行了分析,得到了两种桥梁结构桥墩的弯矩、剪力、位移以及塑性铰转角时程。结果表明,在同一地震动作用下,T形刚构桥墩所受弯矩小于连续梁,所受剪力大于连续梁,桥墩塑性铰的转角远小于连续梁。因此,在同等损伤程度和保证桥墩抗剪能力的情况下,T形刚构比连续梁能够承受更强的地震。     

钢筋混凝土框架结构全过程pushover分析

以往采用杆系模型对钢筋混凝土结构进行pushover分析时，杆端塑性铰所采用的力一变形关系模型中特征参数的计算是基于杆件的原始尺寸，且对变形的极限值(如极限曲率)没有加以限制，这种本构模型并不能完整地体现构件的受力全过程。本文首先采用数值计算方法分析了钢筋混凝土压弯构件保护层混凝土剥落后强度的变化以及箍筋约束作用对其强度和延性的影响。在此基础上，以一个预应力混凝土框架结构为例进行了全过程pushover分析。算例分析结果表明，这种分析方法能够更合理地反映结构从加载到破坏的整个受力过程。     

高墩大跨连续刚构桥抗震性能研究

用设有多个塑性铰的全桥计算模型研究了连续刚构桥的抗震性能,并与类似的连续梁桥作了比较。结果表明连续刚构桥在高烈度地震区所受的地震损伤仍很小,抗震性能明显高于类似的连续梁桥;刚构墩出现塑性后,与弹性的相比墩底的地震力明显减小,随着地震动强度的增加减小的幅度增大,但墩顶位移变化很小。     

斜交连续刚构桥桥墩地震易损性分析

以美国西部地区某斜交公路连续刚构桥为研究对象，研究其不等高墩易损性差异以及斜交角的改变对桥墩地震易损性的影响。考虑桥梁结构参数和地震动的不确定性，选取100条地震动，沿纵桥向输入，生成"结构-地震动"样本库，以地震动峰值加速度（PGA）为强度指标（IM），利用OpenSees软件对结构进行非线性时程分析得到桥墩动力响应，而后以桥墩曲率延性比衡量桥梁破坏状态，在确定桥墩损伤指标的基础上，采用可靠度理论得到各桥墩的地震易损性曲线，判断桥墩的损伤模式、损伤特点。在此基础上，改变桥梁斜交角度进行易损性分析，得到斜交角变化对桥墩地震易损性的影响。研究表明：该桥最矮墩发生损伤的概率大于其他桥墩，桥墩最先进入塑性的是墩顶和墩底区域；不同斜交角对桥墩的地震响应影响显著，各墩损伤破坏排序与斜交桥结构构造特点有关，同一排架墩的两侧墩柱易损性呈现与角度变化趋势相反的排列，损伤越严重，趋势越明显；对于此不等高的斜交刚构桥，最矮墩为其抗震薄弱环节，斜交角越大，越应该关注钝角处矮墩的损伤情况，并提高其设计标准，在进行斜交刚构桥抗震设计中应予以重视。