基于IDA的高墩大跨桥梁地震易损性分析

针对目前我国桥梁抗震设计规范仅适用于墩高40m以下规则桥梁的现状,以一常见山区高墩大跨连续刚构桥为研究对象,采用IDA方法分析了桥梁结构在15条地震动下的动态响应,得到桥墩各截面在所有地震动作用下的曲率包络图。以高墩最不利截面的材料损伤应变所对应的截面曲率为损伤指标,结合能力需求比对数回归分析,计算了高墩在不同损伤状态下的破坏概率,建立了墩柱易损性曲线,同时还建立了梁端支座的易损性曲线。基于联合失效概率分析方法,形成了桥梁系统易损性曲线。分析结果表明:薄壁空心墩连续刚构桥在强地震作用下高墩发生破坏的部位主要集中在墩顶和墩底区域;墩柱发生完全破坏的概率极小,但桥台处梁端活动支座的地震损伤概率较高;桥梁系统损伤概率能够更加准确地反映高墩大跨桥梁的真实抗震性能。     

强震作用下高墩桥梁抗震性能特点分析

西部山区高墩桥梁通常是线路中的控制工程,本文结合西部山区典型高墩桥梁,基于纤维模型的有限元方法建立了高墩桥梁的非线性数值分析模型。通过采用增量动力分析法,即IDA方法对高墩桥梁结构进行了非线性动力时程分析,探讨了在横桥向强震作用下该结构墩身截面曲率的分布特点、墩身中部塑性区域的形成和发育、以及不同频谱特性的地震动激励下的破坏模式和损伤过程,在此基础上以截面曲率作为性能指标对高墩桥梁结构进入塑性后的抗震性能特点展开讨论,揭示高墩桥梁结构在高阶模态影响下抗震性能的复杂性。     

桥梁高墩合理计算模型探讨

采用弹塑性梁柱单元和弹塑性纤维梁柱单元分别建立桥梁墩柱的两种计算模型,深入讨论了桥梁墩柱在地震作用下,塑性铰形成、塑性区扩展以及塑性转角、墩顶位移等结构需求,针对弹塑性梁柱单元模型中不同单元划分数量对墩柱地震需求的影响也进行了比较分析。计算结果表明,高阶振型对桥梁高墩地震响应贡献较大,其塑性转角、墩顶位移等地震需求的变化规律与中、低墩明显不同。桥梁高墩在墩身中部及墩底同时形成塑性铰,且塑性区随地震激励的增强而扩展。单元划分数量对桥梁墩柱的塑性转角、墩顶位移等地震需求均有较大影响,最后讨论了两种计算模型在墩柱地震需求计算时的适用性。     

叠合柱高墩概率地震易损性分析

为了评估叠合柱高墩的抗震性能,根据结构可靠度理论,推导了概率地震易损性函数解析式。以一座叠合柱高墩连续刚构为研究对象,对叠合柱高墩的合理性能指标进行分析和量化,建立了以轴力为变量的截面概率抗震能力模型。考虑材料强度和地震动的不确定性,采用IDA方法对结构-地震动样本进行地震需求分析,建立了以PGA为变量的控制截面概率地震需求模型并进行概率地震易损性分析。结果表明曲率指标对数均值与对数轴力之间符合三次多项式回归关系,曲率抗震能力随轴力的增大而减小。在纵向地震作用下,曲率需求与PGA之间仍然满足对数线性关系,墩底区域最容易发生损伤,矮墩比高墩更容易发生损伤,在设计地震作用下,叠合柱高墩发生倒塌的概率极小。     

曲线桥梁墩高参数动力敏感性研究

为研究曲线桥梁结构桥墩高度参数对地震响应的敏感性,借助有限元分析软件Midas Civil,通过分类处理建立边墩为变高墩和中墩为变高墩两类有限元分析模型。根据Newmark-β法对多自由度体系的曲线桥梁结构进行动力时程分析,结合曲线桥梁结构地震激励的输入基本方式,计算两类墩高布置形式下两跨曲线连续梁桥结构的基本周期、墩顶位移、主梁内力和桥墩墩底内力的变化规律,通过对计算结果分析探究桥墩高度参数和桥墩高度比参数对曲线桥梁结构地震响应的影响规律。研究结果表明:相同条件下,Ⅱ类曲线桥梁的整体刚度小于Ⅰ类曲线桥梁结构;各墩顶径向位移对桥墩高度比和墩高参数敏感性不同;中墩顶曲线主梁内力耦合机理复杂,难以用较少结构参数表征;变高墩墩底内力与曲线桥梁桥墩布置类型密切相关。研究结果可用于指导山区曲线桥梁结构的抗震分析和设计。     

基于IDA的钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥抗震易损性分析

以一座最大墩高110m钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥为工程背景,采用Open Sees建立其弹塑性三维有限元动力分析模型,从PEER地震数据库中选取10条地震动记录进行增量动力分析。以典型墩最不利截面材料损伤应变所对应截面曲率为损伤指标,利用能力需求比对数函数进行回归分析,计算不同构件在不同损伤状态下的破坏概率,建立墩柱易损性曲线和支座易损性曲线。基于联合失效概率分析方法,形成了桥梁系统易损性曲线。结果表明:纵向地震作用下该类桥梁墩高突变明显时,低墩较高墩对地震动更敏感,应充分注意墩高突变区域抗震设计;高耸钢管混凝土格构墩柔性较好,在可预料地震作用下几乎不会发生严重损伤和完全破坏,抗震性能良好;该桥系统失效概率大于结构中最易破坏支座失效概率。     

考虑行波效应的高墩刚构桥地震易损性分析

基于传统可靠度理论,结合IDA方法和大质量法,将空间效应引入地震易损性分析,提出了实现考虑行波效应的桥梁地震易损性评估方法。以一座墩高不一致的双肢薄壁高墩刚构桥为算例,建立系统近场和远场地震易损性曲线。结果表明:评估桥梁系统地震易损性时,宜考虑行波效应,否则可能高估其抗震性能;与远场地震易损性相比,近场地震易损性受行波效应影响显著;与矮墩易损性相比,高墩易损性对行波效应敏感。     

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。     

可更换构件铁路高墩抗震性能研究

针对一种具有可更换构件的新型铁路高墩结构,基于增量动力分析(IDA)曲线,采用易损性分析方法对9度设计、罕遇与极罕遇害地震时的墩柱进行抗震性能评价。建立全桥有限元分析模型,以墩柱最不利截面材料的应变为损伤指标,以地面峰值加速度为地震动强度指标,以357条地震波作为地震动输入,IDA分析得到墩柱关键截面的IDA曲线簇及50%、84%和16%的分位曲线,结合定义的极限状态,探讨墩柱可能产生的塑性铰数量及位置,并通过绘制易损性曲线,对墩柱进行基于概率性的抗震性能评估。研究结果表明：可更换构件在桥墩中首先屈服,从PGA=0.5g时开始屈服、到PGA=1.1g时全部屈服,可更换构件实现分级耗能;墩柱在9度罕遇地震作用下处于基本完好的概率约为99.5%;可更换构件新型高墩结构在9度巨震下超越基本完好状态的概率为36.6%,超越可修复性损伤状态的概率不足1%,其大概率处于可修复性损伤状态。可更换构件高墩抗震性能优越,在近断层地区具有较好的应用前景。     

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。     

MPA方法在不同高度桥墩地震响应分析中的适用性研究

桥梁通常是线路中的控制工程,其抗震性能显得尤为重要。作为梁桥重要组成部分的桥墩,往往是地震作用下容易受到损伤的构件。结合西部山区梁桥的典型桥墩结构形式,基于纤维模型的有限元方法建立桥墩的非线性数值分析模型。采用MPA方法对不同高度桥墩的地震响应进行分析,以非线性时程分析方法的计算结果为基准研究MPA方法的适用性。计算表明MPA方法在分析高阶模态参与程度较高的高墩构件时适用性较差。     

地震作用下曲线梁桥结构响应及敏感性分析

为研究不同设计参数对曲线梁桥地震响应的影响以指导结构抗震设计，对不同支承约束曲线梁桥地震响应及地震需求敏感性进行分析。采用增量动力分析（IDA）方法对比分析了不同支承约束曲线梁桥的结构地震响应变化趋势；采用Tornado图形法对不同结构参数影响程度进行了排序，找出了对结构地震需求影响显著的参数。结果表明:采用板式橡胶支座桥梁因支座易发生滑移而导致上部结构位移较大，但降低了下部结构响应，设置固定墩后，下部结构损伤显著增加；对于采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座的曲线梁桥，墩高及跨径对墩底曲率需求影响较大，而对于固定墩为墩梁固结形式和采用盆式橡胶支座的曲线梁桥，跨径及跨数对墩底曲率需求影响较大；对于采用不同支承约束的曲线梁桥，墩高和曲率半径对桥台位移需求影响较大，仅次于地震动参数PGA。     

地震作用下双薄壁高墩刚构桥桥台处的碰撞效应及减碰措施

针对双薄臂高墩连续刚构桥两侧桥台处主梁与背墙的碰撞现象,基于桥台-背土作用简化模型和Kelvin碰撞模型,采用非线性时程法研究碰撞对双薄臂墩地震剪力、弯矩、曲率和位移,以及支座纵向变形的影响。提出可牺牲背墙、阻尼器、加强型横系梁等三种减碰措施,并对比分析其减碰效果。研究表明:碰撞会显著增大高墩的地震内力和曲率响应,降低墩顶位移和支座的纵向变形;碰撞刚度的变化对碰撞效应的影响在20%以内;可牺牲背墙和阻尼器两种减碰措施均可大幅降低桥墩的地震内力和曲率,使其接近不考虑碰撞时的状态,阻尼器同时还可以保护支座不超过容许变形,而可牺牲背墙则会导致支座的地震破坏;加强型横系梁不能发挥减碰作用,反而会增大桥墩的地震响应。     

高墩大跨连续刚构桥梁地震易损性分析

基于增量动力分析方法,通过非线性地震反应分析,得到整体结构的破坏特征和易损位置,分析适用于高墩大跨连续刚构桥的损伤指标.对高墩大跨连续刚构桥进行整体结构的地震易损性分析时,采用应变作为墩柱损伤指标,位移作为支座损伤指标,绘制了基于整体性能的全桥易损性曲线.     

铁路矩形空心桥墩延性抗震设计简化计算方法

介绍了铁路工程抗震规范提供的钢筋混凝土桥墩延性设计简化计算方法;同时对大偏压矩形截面构件的曲率延性系数简化计算公式进行了理论推导,并结合各国规范的塑性铰等效长度计算公式,得到构件的位移延性计算公式。以大瑞线某桥为工程实例,分别采用规范提供的方法及理论推导的公式进行计算,2种方法计算得到该桥矩形空心桥墩的位移延性系数基本一致,能为今后同类桥梁设计提供一定的借鉴。     

大跨度钢管混凝土拱桥非线性抗震性能研究

基于OpenSees平台建立钢管混凝土拱桥动力分析模型,并与Midas Civil模型结果进行比对。通过一条强震记录下的IDA分析,得到钢管混凝土拱桥拱肋横桥向非线性地震性能,比较拱肋采用弹性梁单元和纤维梁单元两种模型的拱脚弯矩时程曲线和拱顶位移时程曲线,分析拱肋关键截面屈服机理,绘制它们的曲率IDA曲线和拱顶位移IDA曲线。研究结果表明:横桥向在强震作用下拱脚和拱顶不一定先屈服,而是在拱肋截面突变或有集中质量连接处,在设计时需重点考虑;随着地震动增大,先是与横撑连接处拱肋首先屈服,然后是拱脚和拱顶位置,最后向整个拱肋扩展,拱肋非线性性能良好,仍有一定的抗震储备能力。     

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。     

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。