深水悬臂桥墩动力特性及地震响应分析

利用ADINA中的势流体单元对一已建成的深水高墩建模,桥梁上部结构对桥墩的影响以墩顶集中质量的形式体现,分别对不同水深条件下桥墩-水体系的动力特性和地震动响应进行了系统的求解;为了检验Morison方程在深水桥墩动力分析中的有效性,将基于忽略速度力项的Morison方程的计算结果与基于势流体的结果进行了比较。研究结果表明：①水体对结构的自振频率折减影响随着水深的增大而增大,基于Morison方程得到的结构频率的影响大于势流体模型;②水深对墩顶位移的影响比加速度明显,墩底剪力受水深的影响大于其对墩底弯矩的影响;③考虑上部集中质量的影响,结构的响应会不同程度地减小;④相对于势流模型,忽略速度项的Morison方程所得到的结构动力反应略显保守。     

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。     

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。     

动水力作用时矩形空心墩刚构桥地震响应分析

建立红河大桥的三维有限元模型,采用Morison方程法将水对桥墩的影响转化为附加质量的形式考虑。对比了2种工况下桥梁的自振特性,并结合《公路桥梁抗震设计细则》中的有关规定,进行该桥的反应谱分析以及时程反应分析。分析与讨论了不同地震动输入条件下,动水力对该桥墩地震动响应的影响程度。结果表明水的存在会改变结构动力特性和地震动响应。因此在进行抗震设计时考虑动水压力的作用是非常必要的。     

基础非线性对桥墩地震反应的影响

在桩基础桥墩滞回特性的模型试验基础上,提出了用Clough模型模拟基础(地基)的恢复力特性。桥墩采用Takeda恢复力模型。用强震记录与人工合成地震动作为输入对铁路简支梁桥进行了非线性地震反应分析,讨论了不同地震动输入及不同地震强度时基础非线性对桥梁地震反应的影响。研究结果表明,考虑基础的非线性一般会使墩顶位移增大,而墩底的曲率明显减小,且随着地震动强度的增加,基础的非线性影响更加明显。     

车-桥-墩耦合系统演变随机振动分析

将梁简化为两端简支的欧拉-伯努利梁模型,桥墩简化为底部固结的柱,考虑两自由度车辆移动系统与桥面结构表面接触处不平整产生的随机激励,建立了移动车辆系统-桥-墩的耦合力学分析模型。根据子结构方法和演变随机过程一般理论,并应用模态分析法对车-桥-墩耦合系统进行随机振动分析,推导得到了桥墩位移、桥墩轴力、梁竖向位移协方差函数和均方值响应的理论计算公式。通过数值算例,比较了跨中位移的确定性响应和跨中位移的均方根值响应,讨论了在不同桥墩高度、不同车辆移动速度、不同桥面等级下桥梁跨中竖向位移均方根、桥墩轴力均方根的变化规律。     

自复位高墩振动台模型试验

为探讨自复位桥墩的地震反应,以某简支梁桥为工程背景,设计并制作了一个缩尺的模型桥梁。通过白噪声扫频获得了自复位桥墩的动力特性及其变化规律,选取El-Centro、Mexico和Chi-Chi强震记录作为地震动输入,进行振动台模型试验。试验记录了墩顶的加速度和位移反应,考查了地震动强度、频谱特性及预应力钢筋及其初始预加力对模型桥墩动力特性及摇摆反应的影响。试验结果表明:墩顶水平加速度反应随地震动强度及初始预加力的提高而增大,墩顶位移反应受地震动的强度、频谱特性及初始预加力大小影响较大。墩底提离面轻微损伤会明显降低体系的整体水平刚度,初始预加力则能提高体系整体水平刚度,桥墩的阻尼比随体系的水平刚度增大而减小。强震下自复位桥墩发生了预期的提离摇摆,震后墩底提离面出现轻微损伤,墩身无裂缝产生,结构具有良好的抗震及自复位性能。振动台试验结果验证已有文献的数值分析结论,振动台试验数据可用于数值模型校核或修正。     

刚构桥随机地震动响应的简明解析解及等效地震力计算

顺桥向随机地震动作用下,大跨度刚构桥墩梁固结处墩顶产生动弯矩会引起桥跨产生动弯矩,从而会引起桥跨结构水平及竖向耦合振动。针对现行刚构桥随机地震动响应无解析解的问题,提出了一种分析其顺桥向随机地震激励下水平及竖向耦合震动响应分析的简明解析解。首先,建立刚构桥顺桥向激励下水平和竖向耦合振动的地震动方程,利用实模态振型分解法将结构地震动化为以实模态广义坐标表示的系列单自由度地震动方程的线性组合;其次,基于虚拟激励法获得刚构桥实模态广义坐标和结构位移的频域解,并基于二次式分解法获得了上述响应量的0～2谱矩和方差的简明解析解;再次,基于动力学等效原则获得了刚构桥等效地震力的计算式;最后,通过算例验证了所提解析解的正确性,并研究了刚构桥响应量与实模态振型的关系。研究表明：刚构桥地震动分析时需要考虑多个振型的影响,且竖向振动不能忽略。本文所提方法可用于其他复杂桥梁基于复杂平稳随机激励下响应量的分析。     

基于SDOF体系和高层结构的地震动强度指标研究

合理的地震动强度指标是预测和评价结构抗震响应的重要基础。选取24个周期点的单自由度体系和一个高层框架核心筒长周期结构,基于不同震源机制的100条地震动记录时程分析结果,研究16种地震动强度指标与结构地震响应的相关性,并提出考虑高阶振型影响的改进反应谱相关型地震动强度指标。研究表明：（1）不同地震动强度指标与结构地震响应的相关性差别较大,随着单自由度体系自振周期的增大,地震动强度指标与单自由度体系地震响应的相关性大致呈减小的趋势;（2）对于高层长周期结构,综合对比分析各地震动强度指标分别与顶点最大位移、最大基底剪力、最大层间位移的相关性,从工程实用角度出发,推荐地面运动峰值速度为最佳地震动强度指标;（3）由于高层长周期结构受高阶振型影响显著,采用含有高阶振型因素的反应谱强度指标可提高与结构地震响应的相关性。     

ANSYS在岩质边坡动力响应分析中的应用

在动力有限元理论的基础上运用ANSYS软件对不同高度和坡度的岩质边坡进行了模态分析和地震加速度时程分析,发现了一些新的动力响应规律和现象。模态分析显示:随坡高的增加边坡的自振频率呈降低的趋势;而坡度变化对其影响则具有相反的规律。通过地震加速度时程分析发现:边坡的位移、速度、加速度反应三量具有相似的响应规律;随坡高的增加坡顶位移时程曲线振幅增大,但达到一定高度时(约200m)则变化较小,同时坡顶处的地震动响应相对于坡脚处出现了明显的滞后现象;坡度增加时坡顶位移呈线性增加的趋势;地震波的衰减效应与边坡对其的放大效应是同时存在的。研究结果对边坡的抗震设计具有一定的借鉴意义。     

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。     

中承式钢筋混凝土拱桥自振特性分析

利用有限元通用软件ANSYS,对一中承式钢筋混凝土拱桥进行了结构自振特性的数值模拟分析,求出了自振频率、振型等动力参数,对其模态特征进行了描述,并通过变换拱桥的主要结构参数对比分析了它们对结构自振特性的影响.结果表明:自振频率随矢跨比的减小略有提高;横撑有助于增强拱肋的横向刚度,减小拱肋面外振动,提高抗风稳定性;各振型的自振频率值随拱肋刚度的提高近似成线性增大,可以通过改变拱肋刚度来调整其自振特性.研究结果可以为同类桥梁的抗震设计提供参考.     

水下桩墩结构体系的动力模型试验研究

为了了解动水效应对桩墩结构体系的影响以及完善桥梁结构的抗震设计方法,进行了水下桩墩结构模型体系的动力试验.从模型设计、试验装置和加载工况3个方面介绍了试验的实施过程.通过观察模型破坏形态和分析试验结果,探讨了动水压力对结构体系动力特性和地震响应的影响并且检验了应用该动力模型试验研究的适用性.试验结果表明:模型在水中的自振频率比无水时有所降低;动水压力的大小与输入的加速度峰值有关并且在相同的峰值加速度下沿模型从上到下依次递增;试验结果满足预期目的,证实了试验方案的有效性.     

非规则曲线桥梁地震模拟振动台试验研究

目前对于S形曲线桥梁在地震激励下的动力响应尚缺乏试验研究。以一座S形钢筋混凝土曲线桥梁工程为对象,设计和制作了一座相似比为1/20的模型桥梁,通过对模型桥震害现象以及各测点应变、加速度、位移响应的分析研究了该桥梁的抗震性能及抗震能力。研究表明:在整个测试过程中桥墩钢筋均未屈服;小震输入时,桥墩墩底加速度峰值小于墩顶,墩梁径向相对位移大于切向相对位移;大震输入时由于桥墩出现较严重的扭转,导致墩顶加速度峰值小于墩底,墩梁的径向相对位移小于切向相对位移。因此在此类桥梁设计时应严格控制桥墩扭转,防止因扭转而导致桥梁失稳破坏;同时应控制墩梁的相对位移,严防落梁等地震灾害的发生。     

梁式拱上建筑地震响应中拱圈的弹性滤波效应

以某钢筋混凝土拱桥为研究对象,采用有限元软件SAP2000进行弹塑性时程分析来研究主拱圈的弹性滤波。通过提取拱上建筑桥墩基底的加速度时程响应并进行功率谱变换,分析主拱圈弹性滤波后桥墩基底的加速度能量分布特征;通过与地震波自身功率谱对比,评价主拱圈对拱上建筑的滤波效应;再分别从加速度、位移等角度分析了梁式拱上建筑和相同形式的梁桥的地震响应的区别,讨论主拱圈对拱上建筑的"弹性滤波"的影响。研究发现:拱圈的弹性滤波削减了输入到拱上建筑中地震动的高频的振动能量,放大了低频段内的能量,拱圈的刚度越小,其滤波作用越显著。滤波作用对拱顶附近拱上建筑的影响远大于拱脚,弹性滤波使桥墩更易进入塑性阶段,桥墩顶部位移和加速度、支座位移以及梁体位移均大于相同结构的连续梁。     

AP1000核电厂模型基底隔震振动台试验研究

为研究AP1000核电厂基底隔震性能,设计了缩尺比为1/40的AP1000核电厂模型结构,进行了AP1000核电厂模型基底隔震振动台试验。试验中采用铅芯橡胶隔震支座进行隔震,并选取RG1.60人工波、El Centro波和Kobe波作为地震动输入。本文从加速度响应、楼层加速度反应谱、加速度峰值放大系数、减震率等方面对隔震与非隔震核电厂结构的地震响应特性进行了研究。试验结果表明:隔震能明显减小上部结构水平向加速度响应和加速度反应谱峰值,而在隔震频率处隔震模型加速度反应谱有所增加;隔震模型由于摇摆效应在隔震频率处的水平向楼层加速度反应谱随楼层高度的升高先减小后增大;在三向输入地震动作用下,隔震和非隔震AP1000模型各楼层在竖向基频附近的竖向加速度反应谱较竖向输入的地震动放大较为明显。     

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。     

劲性支撑穹顶结构模态特性参数分析

模态特性分析是结构动力特性分析的基础。选用杆元和索元建立有限元模型,采用分块Lanczos模态方法,分析了劲性支撑穹顶结构不同荷载工况下结构的模态特性,讨论了初始预应力、杆件截面面积及高度、跨度、矢高、荷载等参数对结构自振频率的影响。算例分析表明:劲性支撑穹顶结构自振频率较小且分布密集,出现大小相近或相同的频率对及相互对称的振型;环向等分数和杆件截面面积对劲性支撑穹顶结构的自振频率影响较小;荷载作用使结构的自振频率变小;预应力、跨度及矢高对自振频率影响较大,应在结构设计阶段给予充分考虑。     

槽墩高度对渡槽结构水平地震响应的影响

为了研究槽墩高度对矩形渡槽结构系统的动力特性及水平地震动力响应的影响,本文采用Housner流-固耦合模型,提出了一种用于土-桩-渡槽-水体系统的有限元分析方法.以渡槽结构原理性拟动力试验结果为依据,对拟动力试验进行了有限元仿真计算,验证了本文所给出的计算模型的合理性.在此基础上,重点对不同槽墩高度的矩形渡槽结构系统进行了计算研究,结果表明:渡槽结构的基频随槽墩高变化显著,而其高阶模态频率则变化不大.在E1 Centro波及TAR波输入时,随着槽墩高的增大,渡槽结构关键部位的最大动应力等响应存在递减趋势;尤其在E1 Centro波输入时,递减趋势更为显著.人工波输入时,结构动力响应状况存在一定波动,但从总体而言志,矮墩渡槽的动力响应大于高墩渡槽的动力响应.     

永久位移对隔震结构地震响应的影响分析

为分析永久位移型地震动对隔震结构地震响应的影响,文中对单层单跨结构有限元隔震模型分别输入永久位移型及非永久位移型地震动,以探究隔震结构在2种类型地震动输入下的地震响应差别。单层单跨隔震结构有限元模型的数值分析结果表明：相比较非永久位移型地震动,永久位移型地震动作用下隔震层加速度以及位移响应较大。当峰值加速度输入一致时,永久位移型地震动作用下隔震层峰值加速度相较于非永久位移型地震动增大约10%～30%;永久位移型地震动作用下隔震支座最大相对位移相较于非永久位移型地震动增大约10%～40%;随着2种类型地震动峰值加速度的增加,隔震结构同一隔震支座的最大相对位移差值呈现出增大的趋势。