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。     

结构参数对双链式悬索桥地震响应的影响

以某双链式悬索桥为工程背景,建立了空间有限元计算模型.运用几何非线性时程分析方法,分析并探讨了不同垂跨比、阻尼比,塔桥不同连接方式和双链位置对双链式悬索桥地震响应的影响.分析表明,竖向地震动分量使桥塔轴力迅速增大,加劲梁采用钢筋混凝土边梁可有效减小地震响应;塔梁间采用简支连接方案其抗震性能比固定支座连接方案、滑动支座连接方案要好;双链式悬索桥横向抗震性能优于单链式悬索桥.对双链式悬索桥抗震性能的研究,为此类悬索结构的设计选型,乃至减震、隔震及抗震加固提供了参考.     

基于场地效应的悬索桥随机地震响应分析

因大跨径悬索桥梁具有较大的跨越尺度,同时墩柱基础所处场地条件也存在差异,所以对其进行地震响应分析时需考虑局部场地效应。为了正确分析场地效应对大跨度桥梁的地震响应,以某悬索桥为研究背景,采用MIDAS/CIVIL有限元软件,建立该悬索桥的有限元模型,在考虑地震动的局部场地效应情况下列举9种不同的计算工况,对大跨度悬索桥进行时程分析,通过控制一个塔墩处场地类别,改变另一个塔墩处的场地类别来分析场地效应对桥梁跨中位移和弯矩的影响。研究结果显示:场地效应对悬索桥的跨中位移和弯矩存在一定影响,不同的场地条件对桥梁同一位置的破坏程度不同。     

大跨度悬索桥加劲梁纵向运动特性及其电涡流阻尼控制研究

大跨度悬索桥在交通荷载和环境激励下,加劲梁产生持续不断的纵向往复运动,这类振动会导致悬索桥上的连接构件如伸缩缝等出现疲劳破坏。抑制这类振动一般是在梁端安装阻尼装置,这类装置不仅能够减少运营状态下的梁端位移,还能减弱地震作用下的梁端位移响应。本文提出采用耐久性能良好的新型电涡流阻尼器(ECD)进行梁端位移控制并对其减振效果进行了评估。首先对某大跨度悬索桥的实测纵向位移数据进行时域和频域分析,通过简化建立了悬索桥纵向振动的单自由度模型(SDOF),并反演了运营状态下的等效外力时程。然后对悬索桥简化SDOF模型在运营状态等效外力时程作用下和地震激励下的响应进行了计算,并评估了ECD在运营低速状态下线性阻尼和地震高速状态下非线性阻尼的减振(震)控制效果,提出了平衡两种状态控制目标的阻尼器参数合理取值范围,为ECD在悬索桥加劲梁纵向位移控制领域的应用提供了一定的理论依据。     

伸缩缝刚度对大跨度悬索桥动力特性的影响

伸缩缝作为大跨度桥梁与引桥之间的重要连接构件,其抗推刚度及可能存在的变异性对主桥及引桥动力特性的影响不可忽略。本文建立了大跨度悬索桥及引桥的有限元模型,采用弹簧单元模拟加劲梁与引桥箱梁之间的伸缩缝,分析伸缩缝刚度对悬索桥及引桥自振特性及其地震响应的影响规律。分析结果表明:伸缩缝刚度对加劲梁的横弯振型、竖弯与纵飘耦合振型的频率有明显的影响;伸缩缝刚度的变化会导致加劲梁与引桥的振型相互耦合,同时这些振型的频率发生相应的突变,当伸缩缝刚度较大时,加劲梁两个竖弯与纵飘的耦合振型解耦成为独立的竖弯和纵飘振型;当引桥与悬索桥加劲梁的纵飘振型发生耦合时,在纵向和竖向地震作用下的悬索桥及引桥的地震响应达到最小。伸缩缝刚度对悬索桥动力特性影响的分析可为悬索桥的模态参数确认、损伤识别、抗震性能分析提供有价值的借鉴。     

桩-土-结构相互作用与自锚式悬索桥桥塔顺桥向破坏相关性研究

悬索桥主塔作为核心支撑构件,在地震作用下特别是罕遇地震作用下其结构破坏模式就显得尤其重要,也是保证生命线工程结构震后安全的基础,而目前对大跨度悬索桥破坏模式的研究还很不完善。本文借助Open Sees有限元分析程序,以哈尔滨阳明滩大跨度悬索桥的设计方案为背景,以悬索桥的钢筋混凝土桥塔为研究重点,分析三维罕遇地震作用时,桩-土-结构的动力相互作用对大跨度悬索桥桥塔顺桥向破坏模式的影响。文中以在三维地震作用下塔底截面曲率达到等效屈服曲率,从而桥塔产生具有同时性特征的双塑性铰为破坏基准。分析发现在顺桥向罕遇地震作用下,悬索桥塔结构往往在桩基产生塑性屈服后塔底截面再出现塑性;同时发现考虑桩-土-结构相互作用可以延缓塔底截面进入塑性的时间,但会加大塔底截面的地震反应。     

基于二维相干性自锚式悬索桥的地震响应研究

一般在非一致地震激励的模拟中采用一维相干模型,即模型中只含有沿地震波传播方向的变量,但垂直于地震波传播方向两点距离较远(如横桥向)时,会存在相干性.本文基于二维相干模型,应用三角级数法,考虑频率对视波速的影响、地震波传播滞后对非平稳调制函数的影响,生成某自锚式悬索桥桥址处各支点的人工地震波.利用该地震波研究不同激励方式对自锚式悬索桥结构的地震响应,并与基于一维相干的地震响应结果进行了对比,从中得到一些有意义的结论.     

哪吒大桥地震响应分析

建立了哪吒大桥———钢桁加劲梁悬索桥的三维有限元计算模型,对该桥进行了振动特性和地震响应研究,对比分析了一致激励下和考虑局部场地效应、行波效应非一致激励下的桥梁地震时程响应的差异。计算结果表明,由于悬索桥的钢桁加劲梁采用半飘浮体系,纵向约束较弱,桥梁第1阶振型为钢桁加劲梁的纵飘;各阶振型的频率呈现出密集分布的形态;考虑地震波传播速度产生的行波效应的影响,桥梁的地震响应与一致激励下的地震响应有一定差异;局部场地效应对哪吒大桥的地震响应影响较大,特别是对大缆应力及结构变形影响很大;哪吒大桥在7度设防(地震波峰值加速度不超过0.15g)时,大桥的抗震安全性是可以得到保证的。     

大跨度悬索桥环境振动的双向TMD控制

对带有双向ＴＭＤ系统的大跨度悬索桥进行了空间非线性时程响应分析,探讨了ＴＭＤ参数对抑振效果的影响,分析结果显示,ＴＭＤ能够增大结构的表观阻尼,有较大的能量耗散作用,加速振荡的衰减,有效地抑振结构的振动,这表明,用ＴＭＤ技术对大跨度悬索桥的环境振动实施被动控制是一个有效的方法。     

铅阻尼器在自锚式悬索桥横向减震设计中的应用研究

某自锚式钢桁架悬索桥结构主跨408m,采用双层桥面,2根主缆为空间线形布置。本文根据自锚式悬索桥独特的动力特性,提出在悬索桥主梁与过渡墩、辅助墩之间沿横向设置铅挤压阻尼器的消能减震设计方案,以控制悬索桥的横向地震反应。根据风、行车和地震荷载等各种工况可能引起的支座剪力值,提出了铅挤压阻尼器临界滑移荷载值的确定方法。研究表明,同时采用铅挤压阻尼器和粘滞阻尼器的消能减震技术,可以有效地减小悬索桥的横向地震反应,可供工程实践参考。     

大跨斜拉桥的近断层地震响应及减震控制

近断层地震长周期成分丰富,存在速度大脉冲效应;而大跨度斜拉桥一般采用半漂浮体系或漂浮体系,所以固有频率较低。为了研究大跨度斜拉桥在近断层地震作用下的反应规律及减震措施,利用ANSYS软件分析了某半漂浮体系的大跨斜拉桥在近断层地震作用下的时程响应,并对其减震控制方法进行了探讨。研究表明,大跨度斜拉桥的近断层地震响应随着PGV/PGA值的增大而增大,且增大幅度较大,近场脉冲效应较为显著;对于近断层地震作用,不建议采用塔梁弹性连接装置作为主梁纵漂的减震措施,而采用参数适宜的铅挤压阻尼器和粘滞阻尼器则均能获得很好的减震效果;由于大跨度斜拉桥的近断层地震反应较大,应提高其支座的设计允许位移。     

Local site effects on a high-pier railway bridge under tridirectional spatial excitations: Nonstationary stochastic analysis

This paper presents a theoretical nonstationary stochastic analysis scheme using pseudo-excitation method (PEM) for seismic analysis of long-span structures under tridirectional spatially varying ground motions, based on which the local site effects on structural seismic response are studied for a high-pier railway bridge. An absolute-response-oriented scheme of PEM in nonstationary stochastic analysis of structure under tridirectional spatial seismic motions, in conjunction with the derived mathematical scheme in modeling tridirectional nonstationary spatially correlated ground motions, is proposed to resolve the drawbacks of conventional indirect approach. To apply the proposed theoretical approach readily in stochastic seismic analysis of complex and significant structures, this scheme is implemented and verified in a general finite element platform, and is then applied to a high-pier railway bridge under spatially varying ground motions considering the local site effect and the effect of ground motion nonstationarity. Conclusions are drawn and can be applied in the actual seismic design and analysis of high-pier railway bridges under tridirectional nonstationary multiple excitations.     

A comparative study between China and U.S. on seismic design philosophy and practice of a long span arch bridge

This paper presents the first of a series of case studies on the seismic design of long span bridges （cable-stayed bridges, suspension bridges and arch bridges） under a cooperative research project on seismic behavior and design of highway bridges between the State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University and the Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research, University at Buffalo. The objective of this series of case studies is to examine the differences and similarities on the seismic design practice of long span bridges in China and the U.S., to identify research needs and to develop design guidelines beneficial to bridge engineers in both countries. Unlike short to medium span bridges, long span bridges are not included in most seismic design specifications, mainly because they are location dependent and structurally unique. In this paper, an available model of a steel tied half through arch bridge with a main span of 550m in China is discussed. Analysis is focused on comparisons of the seismic responses due to different ground motions. Seismic design criteria and seismic performance requirements for long span bridges in both countries were first introduced and compared, and then three near field earthquake records with large vertical components were selected as the excitations to examine the seismic behavior and seismic vulnerability of the bridge. Results show that （1） the selected near field ground motions cause larger responses to key components （critical sections） of the bridge （such as arch rib ends） with a maximum increase of more than twice those caused by the site specific ground motions; （2） piers, longitudinal girders and arch crowns are more vulnerable to vertical motions, especially their axial forces; and （3） large vertical components of near field ground motions may not significantly affect the bridge＇s internal forces provided that their peak acceleration spectra ordinates only appear at periods of less than 0.2s. However, they may have more influence on the longitudinal displacements of sliding bearings due to their large displacement spectra ordinates at the fundamental period of the bridge.     

四渡河大跨悬索桥空间地震响应分析

非一致激励输入对大跨结构响应有着较大影响。本文以四渡河悬索桥为背景,首先根据该桥动力特性对规范反应谱进行调整,基于修正反应谱并考虑相位非平稳性合成地震动位移;然后编制了调索程序来确定有限元模型的初始平衡构型;采用时程法,分别分析了在纵桥向、横桥向以及竖向的非一致激励(行波输入、多点输入)下的悬索桥地震响应。计算结果表明,纵向非一致激励输入增大了悬索桥的地震响应,横向、竖向非一致激励输入的影响有增有减。     

随机地震动场多点激励下大跨度连续刚构桥的地震反应分析

本文基于随机地震动场的功率谱模型和多点地震激励，建立了大跨度桥梁在随机地震动场多点激励的地震反应分析方法，并数值模拟了某四跨预应力混凝土连续刚构桥的地震反应，考虑了行波效应、部分相干效应和局部场地效应等因素的影响，并与确定性地震一致激励下的计算结果进行了比较。对工程建设具有参考意义。     

行波效应对铁路大跨连续刚构桥地震反应的影响

介绍了模拟地震地面运动的大质量法,推导了大跨度桥梁考虑行波效应的分析模型及解析方法。以大准黄河特大桥为工程背景,选取墩身刚度、地震波视波波速及不同的地震记录为主要参数,进行了考虑行波效应下铁路大跨连续刚构桥的时程反应分析,并与一致激励下的结果进行了对比。系统总结了此类桥梁在行波效应激励下的地震反应特点。本文分析方法和结果对同类桥梁的设计与研究具有一定的参考价值。     

大跨度斜拉桥地震响应非线性时程分析

以有限元分析理论为基础,结合某大跨度斜拉桥工程实例,利用ANSYS软件建立有限元模型,通过修正后的El Centro波分别考虑横向、竖向及纵向输入,采用时程分析方法对其进行地震反应分析.计算分析表明:考虑几何非线性后,结构的内力和位移响应明显增大,且对主梁和索塔内力与位移的影响程度及规律也不尽相同,须区别对待分析.同时表明该桥抗震性能良好,地震荷载不控制设计.由此得出结论,对于斜拉桥这类柔性体系, 不可忽视结构几何非线性的影响.     

Response analysis of flexible MDF systems for multiple-support seismic excitations

Two practical approaches, response spectrum and time-history methods, are developed to evaluate the response of flexible multi-degree-of-freedom (MDF) systems, notably long-span bridges, to multiple-support seismic excitations. For practical convenience, ground motions within a group of adjacent supports on continuous soil or rock are assumed to be uniform and synchronized, while those of different groups are treated as non-uniform and uncorrelated. The response spectrum analysis is extended to include the cross-correlation of modal responses, which prove important when closely spaced modal frequencies exist. An example of the significance of multiple-support excitations is illustrated by application to a suspension bridge. Qualitatively comparable effects can be expected for other bridges of similar type or dimensions.     

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。