高架桥梁的地震碰撞和落梁分析及其控制

高架桥梁是城市交通网络的连接枢纽,在国内外历次大地震下高架桥梁都遭受了严重破坏。本文针对高架桥梁在地震作用下的碰撞和落梁,阐述了一维纵向碰撞以及扭转碰撞分析中所涉及的相关问题,并针对高架桥梁碰撞的磁流变阻尼器(MR)半主动控制以及采用形状记忆合金(SMA)限位器的落梁控制进行了研究。     

磁流变阻尼器的半主动控制及实时混合模拟试验研究

磁流变阻尼器作为一种比较典型的半主动控制元件,具有构造简单、响应速度快、耐久性好、阻尼力大且连续可调等优点。即使地震中能源中断,磁流变阻尼器仍可以作为被动耗能装置继续工作发挥作用,可靠性高。设计合理有效的磁流变阻尼器半主动控制方法,对于整体结构的减震效果尤其重要。提出一种改进的磁流变阻尼器的半主动控制策略-改进的Bang-Bang控制策略,对装有磁流变阻尼器的减震控制3层框架结构进行了一系列的实时混合模拟试验,对多种半主动控制方法下的振动控制效果进行试验分析。试验结果表明:磁流变阻尼器对框架结构的减震效果显著,并验证了提出的磁流变阻尼器半主动控制策略的有效性。     

考虑桥墩强震损伤的连续梁桥半主动控制策略

在连续梁桥的智能控制研究中,大多以控制梁的加速度和墩顶与梁间的相对位移为目的,而忽略了对桥墩损伤的控制。本文提出一种改进的半主动控制策略,通过在限界Hrovat最优半主动控制算法中引入桥墩的损伤指数,使桥梁的地震反应和桥墩的损伤同时得到控制。本文以一设置了磁流变(MR)阻尼器的两跨连续梁桥为研究对象,采用MATLAB进行数值模拟分析,对所提出的半主动控制策略进行了多种工况下的验证。计算结果表明,采用考虑损伤的半主动控制策略,能够在较好控制桥梁地震反应的同时,有效降低桥墩在强震过程中的损伤指数。     

基于模糊控制的MR阻尼器在结构抗震中的应用研究

为了更加有效的减小受控结构在地震作用下的动力响应,采用在结构中安装磁流变阻尼器的方法,同时运用模糊控制器瞬时而准确的确定磁流变阻尼器控制电流,完成对结构的半主动控制。以磁流变阻尼器所在层在地震作用下的速度响应和结构顶层位移响应作为输入量,以控制电流为输出量,根据抗震规范和实际经验提出了合理的模糊规则。对一个3层钢筋混凝土结构进行了实例分析,并与被动控制结构和无控结构进行了对比,结果表明模糊控制对结构的位移响应和加速度响应,较之被动控制都有更好的控制效果。     

结构磁流变阻尼半主动控制的改进算法与仿真分析

基于线性二次型最优控制理论,结合磁流变阻尼器装置的出力特点,提出了结构磁流变阻尼半主动控制的两种改进算法：以速度负反馈渐进逼近主动最优的界限滑动半主动控制算法和基于结构响应状态组合反馈的界限开关半主动控制算法。首先给出了采用磁流变阻尼器装置控制结构振动的系统框图,然后结合一个三层Benchmark模型,仿真分析其在多种地震输入工况下,LQR、磁流变阻尼两种半自动和两种被动控制下的控制效果,最后给出了Benchmark评价指标。     

磁流变阻尼器在相邻建筑结构体系弹塑性地震反应控制中的应用

研究应用磁流变阻尼器连接相邻建筑结构的弹塑性地震反应控制问题。首先介绍磁流变阻尼器的力学模型,并设计了磁流变阻尼器的结构参数;其次,介绍钢筋混凝土框架结构的退化三线型恢复力模型及相邻建筑结构体系的特点,建立体系的力学模型及运动方程;最后进行半主动控制研究,设计了半主动控制器,通过算例实现了结构的半主动控制。分析结果表明,采用磁流变阻尼器连接的相邻结构振动控制是十分有效的,可避免地震中相邻结构发生磁撞损坏。     

行波效应对大跨刚构连续桥梁半主动控制影响分析

给出了地震动行波输入下大跨刚构连续桥梁的半主动控制分析方法,在桥梁支座部位设置磁流变阻尼器,对一座五跨刚构连续桥梁进行了不同视波速行波输入下的半主动控制计算分析. 结果表明,行波效应对该大跨刚构连续桥梁的无控制地震反应、半主动控制地震反应和减震效果均有显著影响,对主梁和桥墩均会在较低视波速地震行波输入时表现出不利影响,并且使半主动控制减震效果明显降低. 因此,在确定半主动控制系统的参数时应考虑地震行波效应的影响以确保控震效果.      

广畅国际大厦磁流变和粘滞阻尼器抗震分析

针对上海广畅国际大厦的抗震问题，通过对不同控制装置的优缺点和适用范围进行比较分析后，采用磁流变阻尼器和粘滞阻尼器相结合的方式，探讨了该结构在无控和安装控制装置后在地震作用下的动力响应和控制效果。文中通过建立结构的力学模型，首先分析了无控结构的动力特性；此后分析了无控结构以及安装磁流变阻尼器和粘滞阻尼器的结构在多遇地震以及罕遇地震作用下的动力响应。分析结果表明，采取磁流变阻尼器以及粘滞阻尼器相结合的方式，能够有效地控制该结构在地震作用下的响应。     

半主动磁流变阻尼控制结构的地震反应分析

本文对磁流变阻尼器的性能及恢复力模型进行了介绍,并对其参数进行了设计,提出了基于现代最优控制理论的半主动控制方法．计算实例分析结果表明,采用磁流变阻尼器对结构进行半主动控制能够有效地减小结构的地震反应．     

高架桥梁地震响应模糊半主动控制

提出了使用MR阻尼器（Magnetorheological Damper）作为控制设备，以模糊集为基础的半主动控制算法，研究了8种模糊控制规则在高架桥梁地震响应中的控制效果。本文提出的模糊方法的优势在于算法自身的鲁棒性、处理非线性问题的能力和不需要结构的精确数学模型，算法需要的输入变量少，模糊算法的输出直接控制MR阻尼器的输入电压，与LQR-clipped算法不同，MR阻尼器的输入电压可以是零与最大值之间的任意值。根据高架桥梁的结构特点，将典型的墩-支座-桥面结构简化为一个两自由度的线性系统，计算了El Centro地震激励下，MR模糊半主动控制的地震响应，并分别与没有控制及其他控制时的地震响应进行了对比，分析了各种控制算法的控制效果。研究结果表明，MR模糊半主动控制算法可以达到LQR-clipped半主动的控制效果，且模糊控制所需要的控制力较小，为有效地发挥MR阻尼器的功能提供了一种简单的半主动算法。     

Experimental and analytical study on pounding reduction of base‐isolated highway bridges using MR dampers

Pounding between adjacent superstructures has been a major cause of highway bridge damage in the past several earthquakes. This paper presents an experimental and analytical study on pounding reduction of highway bridges subjected to earthquake ground motions by using magnetorheological (MR) dampers. An analytical model, which incorporates structural pounding and MR dampers, is developed. A series of shaking table tests on a 1:20 scaled base‐isolated bridge model are performed to investigate the effects of pounding between adjacent superstructures on the dynamics of the structures. Based on the test results, the parameters of the linear and the nonlinear viscoelastic impact models are identified. Performance of the semiactive system for reducing structural pounding is also investigated experimentally, in which the MR dampers are used in conjunction with the proposed control strategy, to verify the effectiveness of the MR dampers. Structural responses are also simulated by using the established analytical model and compared with the shaking table test results. The results show that pounding between adjacent superstructures of the highway bridge significantly increases the structural acceleration responses. For the base‐isolated bridge model considered here, the semiactive control system with MR dampers effectively precludes pounding. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Experimental study of a highway bridge with shape memory alloy restrainers focusing on the mitigation of unseating and pounding

This paper presents an experimental study to investigate the performance of shape memory alloy(SMA) restrainers for mitigating the pounding and unseating of highway bridges when subjected to seismic excitations.Mechanical property tests of the SMA wire used in the restrainers are conducted first to understand the pseudo-elastic characteristics of the material.Then,a series of shaking table tests are carried out on a highway bridge model.The structural responses of the highway bridge model equipped with SMA restrainers,installed in the form of deck-deck and deck-pile connections,are analyzed and compared with the uncontrolled structures.The test results of this study indicate that the SMA restrainers are not only effective in preventing unseating but also in suppressing the seismic-induced pounding of the highway bridge model used in this study.     

形状记忆合金橡胶对高架桥梁碰撞减震效果的试验研究

地震作用下,高架桥梁相邻主梁间的碰撞会引起结构位移和加速度响应增大、应力提高,导致混凝土开裂、脱落和伸缩缝被挤压破坏,甚至引发桥梁落梁和倒塌等,因此采取减轻或者避免桥梁结构在地震作用下碰撞的措施显得尤为必要。设计制备了具有变形自恢复能力的形状记忆合金橡胶碰撞缓冲器,通过桥梁地震碰撞的振动台试验,研究了形状记忆合金橡胶缓冲器对桥梁碰撞的控制效果,提出了碰撞缓冲器吸能效率和结构自身耗能控制率指标。研究表明,形状记忆合金橡胶碰撞缓冲器具有稳定的吸能效率,能够大幅度降低桥梁结构碰撞加速度和碰撞力,这对于提高城市交通网络的地震安全性能具有重要意义。     

地震作用下隔震简支梁桥碰撞反应的振动台试验

由地震引发的碰撞是影响桥梁地震反应以及造成桥梁破坏的重要因素。本文对地震作用下隔震简支梁桥的碰撞反应进行了振动台试验。设计制作1个两跨简支的隔震梁桥模型,试验研究了梁间隙、邻梁质量比、隔震支座类型等参数对桥梁碰撞反应的影响。试验结果表明邻梁间隙、邻梁质量比、隔震支座类型等参数对桥梁的碰撞反应有着显著的影响。邻梁间隙越大,碰撞次数越少;邻梁质量比越大,撞击力越大。铅芯橡胶支座比板式橡胶支座耗能能力更强,可以有效降低邻梁之间的撞击力甚至避免碰撞发生。从而为桥梁防碰撞设计提供了可靠的试验依据。     

A phenomenological contact‐element model considering slight non‐uniform contact for pounding analysis of highway bridges under seismic excitations

Impact stiffness is an important parameter of the contact‐element models for the analysis and prediction of the pounding responses of highway bridges subjected to seismic excitations. This paper presents a pounding experiment to investigate the inconsistencies between the theoretical and experimental values of the impact stiffness both for the linear impact model and Kelvin impact model presented in literature. The analysis of the impact acceleration and acoustic emission signals indicates that accelerometer performance and the non‐uniform pounding are two important factors that affect the pounding responses. Based on this observation, a phenomenological contact‐element model is proposed based on the actual contact state of highway bridges during the impact. To evaluate the effectiveness of the proposed impact model, a numerical simulation is subsequently conducted. A comparison of the results indicates that the proposed impact model can effectively predict the pounding responses of highway bridges. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

梁式桥地震碰撞响应及防碰撞与落梁措施研究进展

简述了地震中观察到的桥梁结构地震碰撞现象,以及已经发展的各种模拟地震碰撞现象的理论分析模型.在此基础上,对桥梁碰撞反应发生机理、碰撞对结构构件抗震能力的影响以及有关防止碰撞发生及防止落梁的有效措施等方面的研究进展进行了回顾和总结.展望了有待进一步研究的问题,包括开展大比例尺的实桥模型地震碰撞试验研究、空间地震动对长跨梁...     

行波效应对桥梁不同振动控制方法减震效果的影响分析

给出了地震行波输入下大跨度桥梁的主动、半主动和被动控制分析方法,并对1座4跨连续刚构桥梁进行了行波输入下地震反应计算,分析了8种振动控制情况下纵桥向和横桥向地震反应的减震效果。结果表明,行波效应会明显降低该连续刚构桥梁8种振动控制方法的纵桥向地震反应减震效果,最大开关控制算法对纵桥向的减震效果相对最好;最大阻尼力被动控制和最大开关控制算法对横桥向的减震效果相对最好,采用该2种控制方法时行波效应对横桥向总体减震效果影响不大。     

Energy dissipating restrainers for highway bridges

Recent destructive earthquakes have demonstrated the vulnerability of highway bridges to collapse due to excessive movement beyond the available seat widths at expansion joints. This paper investigates the efficacy of using energy dissipating restrainers at expansion joints for preventing collapse of highway bridges in the event of a severe earthquake. The restrainer consists of a nonlinear viscous damper and an elastic spring connected in parallel or in series. Two-dimensional finite element analysis using bilinear hysteretic models for bridge substructure joints and nonlinear gap elements for expansion joints is performed on example bridges with one or two expansion joints. The analytical study demonstrates that the energy dissipating restrainers are effective in reducing the relative opening displacements and impact forces due to pounding at the expansion joints, without significantly increasing ductility demands in the bridge substructures.     

高墩梁桥的地震冲撞效应及其应对策略初探

国内外多次地震表明了高墩桥梁的地震冲撞破坏现象,针对目前国内大量兴建的高墩梁桥,有必要研究高墩梁桥地震冲撞效应和减轻桥梁地震冲撞破坏的应对策略。本文根据高烈度震区的1座高墩梁桥建立全桥的空间有限元模型,并在墩-梁结合部伸缩缝处采用非线性接触单元模拟相邻梁间的冲撞行为,同时考虑了下部支座的影响;考虑不同的强震动输入,采用非线性时程分析方法,研究了高墩梁桥的地震冲撞效应及减轻冲撞的有效措施。研究结果表明:本文采用的冲撞力学模型能够合理地模拟地震作用下结构的冲撞现象;冲撞行为对结构的地震反应影响复杂;地震动特性对冲撞效应影响显著;调整伸缩逢宽度或设置弹簧-阻尼限位装置可有效缓解结构间的冲撞效应。     

城市桥梁地震碰撞反应研究与发展

地震时城市桥梁会因邻跨之间的碰撞而发生灾害.本文从桥梁碰撞的模拟模型、发生条件、影响因素、碰撞对桥梁抗震性能的影响以及防止碰撞的措施等方面,对国内外有关城市桥梁碰撞地震反应研究的成果进行了系统的总结和分析,得出以下结论：桥梁碰撞是多因素共同作用所导致的,并使得桥梁的地震反应更加复杂、呈现非线性;要准确评价桥梁地震碰撞反应需要建立更精确的模拟模型;选择合理的邻跨间距和支座宽度以及安装合适的消能减震装置,可有效地减小桥梁的地震碰撞反应.