强震作用下桥台对斜交连续梁桥抗震性能的影响研究

为研究强地震作用下,桥台及台后土体对斜交连续梁桥抗震作用的影响。以一座三跨连续斜交箱梁桥为依托,应用sap2000建立不同斜度的模型,针对有、无桥台两种工况,采用非线性时程分析方法,研究了纵向不同地震动强度输入下,桥台及台后土体作用对不同斜度的连续梁桥主梁和桥墩位移的影响规律,并对桥墩的延性性能进行分析。研究结果表明:桥台及台后土体的存在会抑制主梁的纵向位移,大大增加主梁梁端的横向位移,地震动幅值越大,这种作用越明显;桥台及台后土体作用会减小墩顶纵向位移和墩底纵向弯矩,降低桥墩纵向位移延性需求,提高桥墩纵向安全性,斜交角越大,该影响效果越小;桥台作用对桥墩的横向反应几乎无影响。建议在桥梁抗震设计时应考虑桥台以及台后土体的作用,并针对不同斜度的连续梁桥采取相应的抗震措施,以提高其抗震性能。     

结构参数对高低墩刚构连续梁桥体系地震响应的影响

地震作用下,相邻主梁间的碰撞会改变桥台-引桥-刚构连续梁桥结构体系的动力响应。为了探究主桥结构形式、墩高、引桥跨数和伸缩缝间距等结构参数对伸缩缝处碰撞效应和桥梁结构地震响应的影响,以某实际桥梁为背景,考虑碰撞能量耗散、桩土相互作用、桥台与台后填土相互作用以及支座和桥墩的非线性行为,采用CSIBridge建立桥台-引桥-刚构连续梁桥结构体系的有限元模型进行碰撞弹塑性动力分析。研究结果表明：不同主桥结构形式的主桥墩受力区别较大,相邻主桥墩高差较大时,选择连续梁桥结构体系更加合理。墩高增加使主引桥间动力差异增大,碰撞效应更加显著,仅对刚构墩受力影响较大。引桥跨数增多和伸缩缝间距增大分别使伸缩缝处碰撞效应增大和减小,碰撞抑制作用的增强和减弱也使得刚构墩内力和变形分别减小和增大,但对于其他桥墩基本无影响。     

整体式斜交桥抗震性能分析

相比正交桥,斜交桥在地震作用下其上部结构更易发生平面内大位移甚至落梁,而将主梁与桥台浇筑形成一个整体,成为整体式斜交桥有望有效减轻斜交桥震害,但在桥梁抗震分析与设计时需考虑桥台-土及桥台桩-土的动力相互作用。为深入掌握整体式斜交桥的动力特性及地震响应特点,以美国东蒙彼利埃桥为原型,采用SAP2000分析软件建立了不同斜交角度及台后土密实度的全桥三维有限元模型,利用模态分析及非线性时程分析对整体式斜交桥展开研究。结果表明:整体式斜交桥在地震作用下纵横向耦连明显,且存在明显的扭转效应。随着斜交角度的增加,台后土对于桥梁的纵桥向位移抑制作用逐渐减小,纵桥向抗侧刚度降低,桥梁纵横向耦连程度加强;随着斜交角度的增加,桥台钝角与锐角处最大土压力的比值增大,当斜交角为45°时可达2倍左右;随着台后土密实度的增加,桥台-桩节点处的桩顶弯矩降低,但随着斜交角度的增加,台后土密实度的影响趋于不明显。     

整体式桥梁动力特性及抗震性能研究

为深入了解整体式桥梁的动力特性和抗震性能,建立台-土有限元模型,并提出合理的台-土相互作用数学模型,然后利用Midas Civil整体模型研究台-土相互作用、桩-土相互作用、桥墩构造等因素对整体式桥梁抗震性能的影响。结果表明：与简支梁相比,同等跨度下整体式桥梁的纵向刚度明显提高,但横向刚度差距不大;台后土的约束刚度大小对桥梁的静动力特性不产生明显影响,整体式桥梁根据我国现有规范计算台后地震力相对保守;改变桩-土约束刚度对整体式桥梁的抗震性能影响不大;提高桥墩的横向刚度,将独柱墩改为双柱墩能大幅提高结构抗震性能。研究结论及台后土压力系数的计算方式,可供整体式桥梁抗震计算提供参考。     

地震作用下曲线梁桥双向碰撞作用影响分析

碰撞作用直接影响到桥梁不同构件的地震响应,是桥梁抗震研究中一直关注的问题。针对地震作用下曲线梁桥因主梁面内转动而发生主梁与切向桥台和径向挡块碰撞的现象,以1座3跨预应力混凝土连续梁桥为例,采用非线性时程分析方法,对曲线连续梁桥的双向碰撞作用影响进行研究,并分析了不同减撞措施的效果。结果表明:考虑双向碰撞作用后,下部结构响应有明显增加,主梁转动现象变得复杂,曲线梁桥地震响应分析中应通过建立精细化模型来考虑主梁双向碰撞作用的影响;在切向桥台处设置限位拉锁装置能起到较好的减轻双向碰撞作用的影响,以及采用减隔震设计后,减撞效果更明显,桥梁抗震性能明显改善,但合理减撞措施设计参数应结合曲线梁桥约束体系及结构设计参数进行体系分析确定。     

地震下考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系响应分析

本文研究了考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系在地震作用下的响应。根据实际工程,采用ABAQUS有限元软件,建立了考虑桩-土-结构相互作用效应的输电塔-线体系有限元模型。选取不同场地类型下的12条天然地震波,研究了不同地震波激励下考虑桩-土-结构相互作用效应输电塔-线体系动力响应。通过与考虑刚性基础的输电塔-线体系动力响应对比,得到了输电塔的薄弱位置,并提出了基于刚性基础的输电塔抗震放大系数,可为输电塔抗震设计提供参考。     

基于高斯过程模型的桥梁时变系统地震易损性分析

桥梁在长期服役过程中面临的氯离子侵蚀作用会导致材料性能退化,进而影响桥梁结构的抗震性能。准确评估服役桥梁的抗震性能可以有效保障和提高桥梁结构的安全性,因此开展考虑时变效应的桥梁地震易损性分析非常必要。考虑到地震易损性分析涉及大量的动力时程分析,计算效率很低,故采用高斯过程模型取代耗时的动力时程分析,旨在提高地震易损性分析效率。以一座三跨连续梁桥为例,探究氯离子侵蚀作用下桥墩材料性能的退化规律,建立纵筋、箍筋以及保护层和核心混凝土材料性能退化时变曲线;基于高斯过程模型和联合概率地震需求模型,建立桥梁系统在不同服役年限下的易损性曲线和曲面。结果表明：(1)氯离子侵蚀作用明显降低了桥墩钢筋混凝土材料的强度;(2)氯离子侵蚀作用明显提高了高等级损伤的桥梁地震易损性,结构更容易发生高等级损伤。     

地震作用下简支梁桥非线性碰撞分析

采用能量原理建立了能考虑梁薄壁特性的桥梁上部结构梁段单元动力分析模型,利用非线性接触单元Kelvin碰撞模型,考虑非线性支座的滞回特性(采用W en模型),选择适合不同场地条件的地震波,以京港澳高速公路孟姜女河桥(3跨简支梁桥)为例,进行了桥梁结构纵向碰撞非线性地震响应分析。计算结果表明,随着地震波强度的增加,桥梁上部结构碰撞次数明显增加,结构响应峰值均有所增大;跨间碰撞发生对地震响应值影响较大;伸缩缝间距大小及各跨长度比变化对跨间碰撞效应影响很大;结构碰撞响应对输入地震波具有较强的频谱敏感性;桥梁碰撞计算时桥台铅芯橡胶支座不能简单按简支约束处理。所得结论可供桥梁抗震设计参考。     

高耸混凝土烟囱土-结构相互作用地震反应分析

目前在高耸混凝土烟囱结构抗震设计和抗震性能评估中,由于缺乏合适的计算模型,一般采用刚性地基假定而忽略土-结构相互作用效应,或者采用传统的集中参数模型而忽略土的非线性特性。针对此不足,本文选用240 m高的钢筋混凝土烟囱作为研究对象,采用OpenSees程序,基于非线性文克尔地基梁模型和基于柔度法的分布塑性梁柱单元,建立了土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型,详细介绍了非线性文克尔地基梁模型主要参数的确定方法;研究了地基土非线性对高耸烟囱结构地震反应的影响,给出了考虑土-结构相互作用效应后结构周期、上部结构的内力和变形分布的变化规律。分析结果表明:考虑土-结构相互作用后,结构的自振特性、内力及节点位移都发生了不同程度的改变;考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型,峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数与不考虑土-结构相互作用时的结果之比分别介于0.921~1.219、0.732~1.29和0.822~1.536;而不考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型,峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数与不考虑土-结构相互作用时的结果之比分别介于0.838~1.578、0.92~1.76和0.656~2.831。不考虑土体非线性特性的土-结构相互作用模型的峰值截面弯矩、剪力及截面曲率延性系数的取值总体上较大,高估了烟囱结构在地震荷载作用下的内力需求。     

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。     

基于系统地震易损性的桥梁隔震支座优化设计

隔震支座对桥梁抗震有重要意义,优化支座的参数可有效提升隔震效率。以一座三跨连续梁桥为例,建立了考虑桩-土-结构相互作用的有限元模型。将铅芯橡胶支座的特征强度及初始刚度视为优化变量,以最小化桥梁结构的系统地震易损性为目标。通过动力时程分析,得到支座参数对桥梁系统地震易损性的影响规律,确定支座参数的合理区间。高斯过程模型用来取代耗时的动力时程分析,降低隔震支座优化设计的计算成本。分析结果表明:铅芯橡胶支座的特征强度和初始刚度对桥梁系统地震易损性有明显影响;支座优化设计有效降低了桥梁系统地震易损性,大幅减小支座的剪切应变,提高了支座的隔震效率。     

大直径扩底灌注桩的地震反应特性

大直径扩底桩的地震反应分析对其抗震设计至关重要。本文采用ABAQUS有限元程序建立地震荷载作用下扩底桩-土-结构和普通等直径桩-土-结构动力相互作用体的三维有限元模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Drucker-Prager弹塑性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间设置非线性接触。输入Imperial Vally地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算,分析了桩土模量比、软夹层、上部质量等因素对桩基地震反应的影响。结果表明:与普通等直径桩相比,扩底桩的抗震性能没有明显提高,扩底直径对抗震性能影响不大,增大扩底桩直径,并不能提高扩底桩的抗震性能;上部结构的质量及桩土模量比对桩基的动力响应影响显著。     

基于动水及桩-土-结构相互作用的斜拉桥地震响应分析

为了得到更为符合实际情况的跨江大桥动力稳定性的地震反应分析,在桥梁抗震研究中必须综合考虑动水及桩–土–结构的相互作用。基于此,结合某斜拉桥,采用基于Morison方程的动水力简便计算方法来模拟水对桥梁下部结构的动水压力,通过大型有限元程序Midas/Civil分别建立了没有考虑动水及桩土效应和考虑动水及桩土效应2种情形下的计算模型,通过输入El Centro波分析了动水及桩土效应对斜拉桥结构动力特性和地震反应的影响。分析表明:动水及桩土效应对斜拉桥动力特性和地震反应的影响较大,因此在对跨江斜拉桥结构进行抗震分析时,应考虑动水及桩土效应对其动力反应的影响。     

近断层地震动下摇摆-自复位桥墩连续梁地震反应

为讨论近断层地震动下摇摆-自复位(Rocking Self-Centering, RSC)桥墩连续梁的地震反应及其抗震优缺点。基于OpenSees有限元分析平台讨论了RSC桥墩三维建模方法,通过对6个试验构件的模拟,比较模拟与试验桥墩滞回曲线、预应力筋最大应力等指标,验证了模型准确性。建立设置RSC桥墩和普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)桥墩的上部结构相同的两座连续梁桥,输入3组含有强速度脉冲的近断层地震波进行非线性动力时程分析,对比其抗震性能。结果表明：在0.4 g近断层地震动下,RSC桥墩与普通RC桥墩相比,RSC桥墩的最大位移角为普通RC桥墩的78.1%～97.6%,墩底曲率延性系数仅为普通RC桥墩的24.0%～34.0%,减小了桥墩的最大变形,也减轻了桥墩地震损伤,不利的一点是使用RSC桥墩会导致支座位移增大。RSC桥墩震后的残余位移较小,且预应力筋处于弹性受力阶段,为实现震后桥梁功能的快速恢复提供了条件。     

基于扩展PSDA的不等高墩连续梁桥抗震性能评估

以一不等高墩连续梁桥为例,采用SAP2000程序建立有限元模型并精确模拟桥墩、支座、伸缩缝和桥台等构件的非线性特性。根据场地类型选取100条实测地震动记录,对其强度参数(IMs)的区间范围扩展以后进行IDA分析。基于非线性动力分析的结果分别形成了传统的概率地震需求模型(PSDM)和扩展的PSDM,讨论了传统PSDM的局限性以及扩展PSDM的优越性,并建立了以扩展PSDM为基础的桥梁地震易损性曲线,且分别从构件易损性和系统易损性的角度对算例桥梁进行了性能评估。结果表明:相对于传统PSDM,扩展PSDM的回归分析决定系数R2要大很多,能更全面、客观地反映不同构件的概率地震需求;基于传统PSDM的地震易损性分析结果往往低估了桥梁结构的失效概率;矮墩支座往往是不等高墩桥梁最易损的构件,而在矮墩上采用铅芯橡胶支座能明显降低桥梁整体的易损性。     

高速铁路桥梁-桥墩-桩基础-地基耦合系统的地震反应

高速铁路中的桥梁常采用灌注桩基础以控制沉降,地震作用是桩基础的设计工况之一。建立桥梁-桥墩-桩基础-地基为一体的耦合系统非线性三维数值分析模型,以典型地震波为输入,考虑上部结构和基础的共同工作、土-结构动力相互作用、材料非线性和土层对桩的侧阻及端阻作用,开展三向地震作用下的动力有限元计算,并对地基主要土层压缩模量、桩体材料弹性模量、桩径和桩长进行参数敏感性分析。计算结果表明:现行的桩基础设计方案能有效控制地震荷载作用下桥梁的变形;地震过程中的不同时刻,桩侧阻发挥程度不同且不可忽略,以单纯的梁单元模拟桩的动力学行为的适用性值得商榷;桩长和地基主要土层压缩模量对桥梁地震反应影响最大,桩体材料弹性模量的影响次之,桩径的影响最小。     

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。     

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。     

考虑土-结构动力相互作用的车-桥系统动力响应分析

基于多源粘弹性人工边界,利用有限元软件ABAQUS建立了动力荷载作用下的路基-桥梁-车辆整体数值分析模型,分别计算动力荷载作用下车速、土-结构动力相互作用(SSI)因素对车-桥系统的影响规律。结果表明:对车桥系统来说,考虑土-结构相互作用时桥梁结构和车辆的竖向动力响应都较忽略时有显著的增大;桥梁的各参考点的竖向动力响应随着列车速度的增大而增大,但车速对桥梁的动力响应影响要大于土-结构动力相互作用的影响;地震使得车桥系统的动力响应明显的增大,同时地震作用下桥梁的参考点上竖向位移、速度的最大值出现时刻和只有列车荷载作用下出现时刻也不同。     

海底地震动作用下近海桥梁地震响应研究

以某近海大桥引桥段连续梁桥为工程背景,建立考虑海底地震动特性和腐蚀效应的近海桥梁地震反应分析模型。采用增量动力分析方法分析腐蚀效应以及海底地震动作用对近海桥梁地震响应的影响。研究结果表明:腐蚀效应与海底地震动作用都会不同程度影响近海桥梁结构的抗震性能。其中:腐蚀效应会增大近海桥梁的破坏指标,降低最大墩底剪力和弯矩值,从而降低桥梁的抗震性能;海底地震动作用会增大近海桥梁的破坏指标及最大墩底剪力、弯矩值;在2种因素耦合作用下,桥梁的抗震性能将会进一步降低。