考虑水-土-桥梁动力相互作用的大跨桥梁地震反应分析

为了研究地震动作用下动水压力对深水桥梁的影响,基于局部动力人工边界、流体边界及流固耦合理论方法建立了水-土-单桩整体模型,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,同简化的Morison方程法模拟方式及无水模型进行对比分析,研究考虑桩土作用前提下工程简化方法和考虑流固耦合的整体方法的差异,以及桩土作用下动水压力对单桩结构动力反应的影响。在此基础上,以某跨海大跨连续刚构桥为背景,首次建立了水-土-桥梁系统的整体动力有限元模型,研究水-土-桥梁系统的地震动力反应,分析了桥梁各构件的内力幅值和分布规律,并与未考虑动水作用下的桥梁结构进行对比,分析了动水压力对深水桥梁的地震反应的影响规律。结果表明,动水作用受地震波频率影响较大,但规律相近,相同外部环境下,由于上部结构和桩土相互作用的不同,动水压力对单桩的影响大于大跨桥梁桩基础的影响。对于大跨桥梁,动水作用对处于水中桩基础的影响较大,水中部分的桩基础内力增幅最大,对水位以上的桥墩影响稍小,考虑动水作用后主梁轴力增加,弯矩减小。     

桩‑土相互作用下的桥梁高墩地震易损性复合参数分析∗

为更准确地预估桥梁高墩在地震作用下的损伤情况以及桩?土相互作用对高墩地震易损性的影响,以考虑高阶振型贡献的复合参数作为地震动强度参数,以综合位移延性比和弹塑性耗能差率的复合指标作为高墩的损伤指标,建立了墩柱、承台及桩?土结构体系模型,基于增量动力分析方法对上述体系进行非线性动力时程分析,绘制基于复合指标的桩?土相互作用下的桥梁高墩地震易损性曲线。结果表明：以所选复合参数作为指标进行地震易损性分析,可有效评估高墩抗震性能和损伤状态;考虑桩?土相互作用可更准确捕捉地震作用下结构损伤概率变化情况; 桩?土相互作用对较强地震动作用更为敏感。可为较高烈度地区的高墩桥梁抗震设计施工提供参考。     

大连长山矮塔斜拉桥抗震性能三维数值分析

为进一步认识矮塔斜拉桥地震动力响应特性,以大连长山矮塔斜拉桥为具体工程背景,采用ADINA三维实体单元模拟桥梁结构与桩基,全面考虑预应力钢筋作用和桩土相互作用影响,通过建立全桥大规模三维动力分析数值模型,针对桥梁结构-桩基-地基相互作用体系分别进行了地震反应谱分析、弹性和弹塑性动力时程分析,并对桥梁结构体系抗震性能进行了系统评价,计算结果表明:桥梁体系关键控制截面抗震强度和变形均满足规范要求,主墩位置易发生较大塑性变形;对矮塔斜拉桥等特殊桥梁进行抗震设计时,宜进行考虑主墩结构弹塑性影响的控制截面变形校核。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

大型渡槽结构动力学研究进展(2010-2019)

渡槽是跨流域调水、输水工程的关键性架空建筑物,其动力性能的理解与应用关系到调水工程的"安全,经济、适用和美观"。系统梳理和总结近十年内大型渡槽结构动力学的研究进展,为渡槽工程下一个10年的发展提供学术与实践方向。在过去的10年里,考虑水体与槽体间的相互作用进行渡槽结构系统的动力学分析及抗震(风)设计,已取得共识。系列研究厘清了槽体与水体的相互作用机理及槽内动水压力的特点,并在槽内水体晃动的等效模型上取得了重要成果,这些成果促进了水工建筑物抗震规范的完善与实施;另外已有学者就土-桩-渡槽结构动力相互作用做了系列研究,表明在进行渡槽结构动力学研究时,有必要考虑土-桩-结构的相互作用;渡槽结构与桥梁类似,学者们从桥梁抗震的多点地震输入问题考虑,研究了多点地震输入对渡槽结构地震反应的影响,认为大跨度渡槽结构应考虑地震波的多点输入;系列研究表明,隔震、消能减震及结构控制方法已在渡槽动力学研究与实践中展开,且可有效的提高渡槽结构体系的整体抗震性能。同时,基于工程结构的被动,半主动,主动控制以及动力学可靠度理论已在渡槽工程中渐露曙光。未来,大型渡槽结构动力学的研究将趋向于系统防灾和智能控制。     

桩-土-桥梁结构相互作用对斜拉桥减震控制的影响

基于Open Sees平台建立了桩-土-桥梁结构相互作用的非线性有限元模型,参照benchmark模型定义了8个斜拉桥性能评价指标,考虑脉冲型地震动的影响,分析了桩-土-结构相互作用对斜拉桥地震动响应的影响。研究显示,桩-土-结构相互作用效应对阻尼器减震效果的影响很大,无论是速度相关型阻尼器还是位移相关型阻尼器,大部分指标的控制效率均严重下降,特别是在脉冲型地震动作用下减震效率降低更加明显。     

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

耐震时程法在高墩刚构桥抗震分析中的应用

耐震时程法是一种新的基于时域的动力弹塑性抗震分析方法,与其他抗震方法相比,耐震时程法在大型复杂结构非线性分析时极具优势。以一座典型高墩刚构桥为例,介绍了耐震时程法的概念、基于桥梁抗震规范反应谱的耐震时程波生成方法及其在桥梁抗震分析中的应用,并且提出了符合高墩桥梁实际的计算Park-Ang损伤指数加权系数的方法。结果表明:耐震时程法预测柔性桥梁结构地震响应是合理的,宏观上表现为传统非线性分析响应的均值;耐震时程法分析时输入结构的能量与中等持时的天然波能量相比偏大,评估桥梁地震损伤时较为保守;耐震时程法用于设计初期桥梁方案比选时,只需1次非线性分析即可高效评估不同桥型抗震性能。     

钢筋混凝土箱型高墩双向拟静力试验研究

随着高墩大跨桥梁的广泛应用,其抗震问题也越来越突出。本文主要考虑轴压比、长细比的影响,进行了6个钢筋混凝土薄壁箱型高墩缩尺模型的双向拟静力试验,以及反复荷载作用下的非线性分析。研究表明:①钢筋混凝土薄壁箱型高墩柱在多维荷载共同作用下,主要发生典型的弯曲破坏,但剪切作用也不容忽视;②墩柱的破坏受到不同方向耦合作用的显著影响,尤其是抗弯刚度小的一侧受到的影响更大,较早就出现开裂,提前进入塑性发展阶段;③非线性有限元计算的滞回曲线、骨架曲线等与试验结果基本吻合;④建立了考虑轴压比、长细比影响的钢筋混凝土薄壁箱型高墩的双向荷载—位移恢复力模型,该模型基本能够反映钢筋混凝土薄壁箱型高墩的抗震性能,可供钢筋混凝土箱型高墩柱及高墩桥梁结构的抗震设计和动力计算参考。     

考虑流固耦合作用的深水桥墩地震响应分析

地震作用下,深水桥墩与周围水体的耦合振动是一个非常复杂的动力相互作用问题。本文基于非线性Mori-son方程,采用Airy波浪理论,建立了深水桥墩考虑流固耦合作用的有限元模型,应用Newmark-β法提出了求解该耦合非线性方程的算法,并用ANSYS软件和Matlab软件自编了求解程序。以某跨海大桥深水桥墩为算例,对其进行在地震作用下的非线性动力分析,并与已有计算方法进行对比。结果表明:按本文方法计算的墩顶最大位移、墩底最大剪力及墩底最大弯矩均较大,差异最大达到12.5%。因此在极端海况条件下,对深水桥墩进行地震作用下的动力分析时,建议采用本文考虑流固耦合的方法。     

地震作用下大跨度悬索桥几何非线性影响分析

大跨度悬索桥几何非线性主要来自3个方面:缆索垂度效应、梁柱效应、大位移引起的几何形状变化。鉴于地震波高频成分振幅大,低频成分振幅小的特点,很难对地震作用下大跨度悬索桥几何非线性的影响做出定性判断。目前大跨度桥梁的几何非线性研究主要集中在斜拉桥,且不同的学者得出了不同的结论。本文以逐级加大振幅的Ⅳ类场地多条地震波为激励,通过对称与非对称的2座典型大跨度悬索桥的几何非线性影响对比分析,探讨了几何非线性对大跨度悬索桥重要地震响应量的影响程度及其原因,并提出了相应的抗震设计参考建议。     

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。     

开孔圆形截面空心桥墩水动力研究*

针对圆形截面空心桥墩壁上开孔后内部充水是否带来水动力的问题,采用ANSYS-CFX构建了墩-水耦合数值分析模型,并研究了内部水对空心墩的动力特性、地震动水力及响应的影响。结果表明:当水深一半时,空心墩自振频率相比仅有外部水时降低了25.08%,当满水时,空心墩自振频率降低可达39.32%。地震时,空心墩发生剧烈振动,内部水的晃动会增加结构的附加动水力,从而加大结构的动力响应(主应力增大率为30.84%);同时存在内外域动水的交换作用,使得通水孔附近局部应力较大(等效应力增加率为9%),内部水的影响已经掩盖过内部水平衡外部静压取得的应力改善效益,从地震作用效应的角度看,深水空心桥墩设计中不宜开孔。     

苏通大桥初设阶段主桥场地地震反应计算

本文计算了苏通大桥初设阶段主桥近300 m深场地的地震反应。将三种地震波从基岩输入,并考虑了行波效应,从而得到不同计算工况下8个桥墩所在场地的地震反应结果,列出了工程场地地表的部分绝对加速度和绝对位移的计算结果。从计算结果来看,土层的地震反应受到以下几个因素的影响:土层计算模型、土层的地质地形条件、行波效应。当有倾斜河谷地形时,采用一致输入下水平均匀分层土层的简单模型后,计算所得的工程场地地震动参数与实际场地精细化模型的计算结果有较大的差距。是否考虑基岩面上地震波的行进过程,也会对场地地表的地震动参数产生较大的影响。     

厚软场地上大跨径桥梁设计反应谱研究

大跨径桥梁塔高、跨径大、自振周期长,深厚、软弱场地的长周期地震动对桥体结构影响较大。我国《公路工程抗震设计规范(JT J004-89)》也只适用主跨不超过150 m的梁桥和拱桥,国内长期以来没有一个适用于大跨径桥梁的抗震设计规范或指南。本文结合大跨径桥梁工程实例,根据场地土层静、动力性能参数的原位测试和动三轴试验结果,进行厚软场地土层地震反应分析,研究厚软场地的地震动效应,讨论了不同地震动强度时厚软场地的设计反应谱特征,分析了现行规范设计反应谱应用的局限性,成果对相关工程有重要指导意义,对大跨径桥梁抗震设计规范的制定也有借鉴作用。     

近场脉冲地震下考虑模型不确定性的桥梁时变抗震分析

为了研究近场脉冲地震下桥梁结构的时变抗震性能,以一座常规连续梁桥为研究对象,引入氯离子侵蚀模型,在考虑多种不确定性因素基础上,采用拉丁超立方抽样建立不同服役时期的时变模型样本,运用增量动力分析方法,从能力、需求以及倒塌等方面对算例桥梁的时变抗震性能进行了研究和评价。结果表明:近场脉冲型地震下结构的抗震需求明显大于远场地震;氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀后力学性能发生改变,箍筋对核心混凝土约束能力减弱,锈蚀纵筋屈服强度及极限拉应变都降低,导致桥墩的变形能力下降;与地面运动的不确定性相比,模型参数的不确定性对结构的抗震需求均值及离散性影响均不大;随着服役时间延长,钢筋锈蚀加剧,桥墩出现倒塌破坏的概率加大。     

大跨径钢管混凝土拱桥减震控制装置参数的研究

大跨度桥梁结构的减震控制研究对于桥梁结构的抗震安全具有重要意义。本文以主跨368m的茅草街大桥为研究对象,基于ANSYS建立了该桥的三维有限元模型,并采用子空间迭代法分析了该桥的动力特性。在此基础上进行了大跨度钢管混凝土拱桥的地震响应及减震控制研究,重点进行了弹性连接装置和粘滞阻尼器减震效果的参数敏感性分析,并对比分析了不同位置布设减震装置时的效果。结果表明,纵飘振型对该桥肋纵向相对位移的贡献最大;弹性连接装置和阻尼器均能有效减小地震作用下该桥的肋梁纵向相对位移;综合考虑各关键部位的地震响应时,同时采用两类减震装置并将其分散布置时的减震效果最佳。结论可供大跨度中承式钢管混凝土系杆拱桥的抗震设计参考。     

新建宜万线渡口河大桥动力特性分析

新建的宜昌—万州线上的渡口河大桥为一座高墩大跨度连续刚构桥,为了研究其动力特性,分别按桩土连续梁模式、桩土空间刚架模式模拟桩土的共同作用,建立了相应的空间有限元模型。通过比较不同建模方法对动力分析的影响,深入分析了渡口河大桥的动力特性。研究了二期恒载、承台的质量、主墩的混凝土强度等级和边支座纵向弹性约束对结构动力特性的影响。计算结果表明,大跨度桥梁结构的动力分析必须建立详尽的分析模型,以反映结构的实际动力特性。