近断层地震动下曲线梁桥碰撞效应研究

桥梁的地震碰撞会导致结构局部破坏,甚至造成落梁、倒塌等严重灾害,曲线梁桥的非规则性使得其碰撞效应与直梁桥显著不同。对一典型的三跨曲线梁桥建立多尺度有限元数值模拟模型,利用三维接触-摩擦模型结合显式动力接触算法模拟曲线梁桥上部主梁间的碰撞,研究了近断层地震动下碰撞效应对曲线梁桥地震反应的影响,并对地震动参数、碰撞刚度、伸缩缝间隙及曲率半径进行了详细的参数影响分析研究。研究结果表明:曲线梁桥地震响应受非均匀碰撞影响显著,碰撞限制了主梁相对位移;近断层脉冲地震较其他两类地震对曲线梁桥碰撞效应的影响更为显著,碰撞力最大值随着碰撞刚度和曲率半径的增加而增大,随着伸缩缝间隙的增大而减小,主梁相对位移响应则相反;外侧切向位移较大,落梁很有可能从曲线梁外侧发生。     

考虑地震动随机性的隔震曲线连续梁桥动力响应分析

隔震曲线梁桥因结构形式的复杂性与独特性,其地震响应相较于隔震直线梁桥更为复杂。为了研究地震动随机性对隔震曲线梁桥动力响应的影响,建立了某三跨隔震曲线梁桥有限元模型,对不同地震动入射角及不同地震动强度下的隔震曲线梁桥进行了非线性时程分析,同时考虑了曲线梁桥圆心角及隔震支座非线性的影响。以典型地震波为例,研究了隔震支座位移、中墩墩底剪力随地震动入射角、地震动强度及曲线梁桥圆心角的变化规律。结果表明:地震动入射角的随机性对隔震曲线梁桥切向及径向的地震响应有显著影响。切向响应与径向响应最大值所对应的最不利入射角相差约90°;相较于中墩支座,边墩支座的位移响应受曲线梁桥圆心角的影响更大;与中墩径向剪力相比,其切向剪力对圆心角的变化更加敏感;相同地震动入射角下,圆心角的增大使得隔震曲线梁桥中墩受力更加不均衡;当地震动沿着最不利入射角输入时,在同一峰值加速度的地震动作用下,不同圆心角的隔震曲线梁桥的动力响应基本一致。     

小半径城市高架曲线梁桥地震动响应研究

针对城市高架小半径曲线梁桥弯扭耦合严重、地震危害明显的特点，对武汉新站小半径曲线梁桥的有效的动力计算模型进行了探讨，比较了单根梁模型、板壳模型和脊梁模型在模拟小半径曲线桥时的准确性和精度。在脊梁模型的基础上，基于时程分析方法，采用三向地震波同时输入的方式，分析了小半径曲线桥的动力特性及其地震响应的主要影响因素。分析结果表明：脊梁模型是对小半径曲线桥进行动力分析的有效实用方法；后续结构、桩-土-桥的相互作用、桥墩刚度及支座偏心等敏感因素对小半径曲线桥的地震响应有较大的影响，计算分析时应给予足够重视     

多维非平稳随机激励下隔震曲线梁桥的非线性振动控制EI北大核心CSCD

隔震曲线梁桥的平面不规则性引起的弯扭耦合效应,使其地震响应与隔震直梁桥相比更加复杂,为了有效的抑制隔震曲线梁桥地震中过大的梁体及支座位移,采取半主动控制策略来保证其安全性。采用经典的Bouc-Wen模型,建立考虑上部结构偏心的隔震曲线梁桥非线性振动控制方程,将该方程等效线性化后,输入考虑扭转分量的多维非平稳随机激励。利用混合精细积分法对无控、经典最优控制(COC)以及序列最优控制(SOC)后的隔震曲线梁桥进行随机响应分析。结果表明:在罕遇非平稳随机激励下,隔震曲线梁桥的动力响应呈现出非平稳特性,且考虑扭转分量的多维非平稳随机激励对隔震曲线梁桥动力响应影响要大于未考虑扭转分量下的;运用经典最优控制以及序列最优控制控制下的隔震曲线梁桥各个方向的的动力响应都有明显的减小,且结构动力响应的非平稳特性也得到了明显的抑制。     

水平双向地震激励下基于序列最优控制算法曲线梁桥控制分析

针对曲线梁桥在地震作用下出现的平扭耦合作用对结构产生的不利影响,将隔震技术与附加减震装置相结合对平扭耦合进行控制。建立考虑上部结构偏心的曲线梁桥在双向水平地震作用下的振动控制方程,分别采用序列最优控制算法(Sequential Optimal Control,SOC)及经典线性最优控制(Classical linear Optimal Control,COC)对结构进行分析,求解曲线桥两种控制算法的地震响应,并通过比较研究两种控制算法的适用性。结果表明,序列最优控制算法较经典线性最优控制能更有效减小曲线梁桥在水平双向地震作用下的地震反应、抑制结构扭转耦合效应,对减少落梁震害、确保曲线桥抗震安全有较好的工程实用价值。     

考虑纵坡影响的曲线梁桥地震碰撞响应试验研究

地震作用下,碰撞会显著影响桥梁的地震响应规律。现阶段碰撞效应对桥梁地震响应影响规律尚不明晰,碰撞效应参数影响分析尚不全面,特别是考虑纵坡影响的桥梁碰撞响应分析尚处空白。以某小半径带坡曲线桥为对象,设计并制作其1/10缩尺模型,设计了可调式碰撞测试装置,通过调整碰撞间隙大小,分别对发生碰撞前后的模型桥进行了振动台试验,重点探究了碰撞对有纵坡曲线梁桥主梁、桥墩地震响应的影响。结果表明:碰撞会导致曲线桥主梁的旋转效应增大,并引发梁端较大的水平加速度响应脉冲;纵坡会造成低墩处的碰撞力大于高墩处的碰撞力,并引起主梁显著的竖向动力响应;此外,碰撞会放大桥墩墩顶位移响应,增加曲线桥桥墩在地震中的破坏风险。     

三维地震动作用下曲线连续梁桥减震控制研究

为了减少双支承曲线梁桥的地震破坏效应,提出了利用液体粘滞阻尼器进行曲线梁桥减震控制的方法,建立曲线连续梁桥的空间有限元模型和动力仿真模型,在桥梁墩台活动支座部位设置切向和径向液体粘滞减震装置,输入三维地震动计算分析了桥梁主动控制、半主动控制和被动控制三种减震方法的减震效果。结果表明,曲线梁桥的地震反应表现出显著的纵桥向与横桥向的耦合特性,在减震控制计算时必须同时输入三维地震动并设置纵横向减震装置。粘滞阻尼器能够控制曲线梁桥内外墩的内力趋于接近,三种减震控制方法均能有效地减小曲线梁桥的梁端位移和固定墩墩底内力,且三种方法的减震效果和地震反应时程的差别均相对较小,主动控制和半主动控制没有表现出明显的优越性,建议在实际曲线梁桥的抗震减震设计中应用粘滞阻尼器被动控制。     

多点激励下非规则高墩曲线桥梁地震响应试验研究

根据结构模型振动台试验相似理论和大跨结构多点激励理论,以某非规则钢筋混凝土高墩曲线连续梁桥为研究对象,建立缩尺比为1∶20的桥梁结构试验模型,研究该非规则曲线桥梁模型在地震波多点激励作用下结构的地震响应规律。研究表明:随着地震波强度等级增大,非规则曲线桥梁结构一阶频率下降速度先快后慢,阻尼基本呈线性增加;非规则曲线桥梁结构地震响应具有明显的空间性;局部地形效应对曲线桥梁结构地震响应有放大作用;不同频谱地震波对非规则曲线桥梁结构地震响应影响各异,且差别较大。因此,在非规则高墩曲线梁桥结构抗震分析中应考虑多点激励效应的影响。     

桩柱式桥台土-结构相互作用抗震性能研究

为研究桩柱式桥台在地震过程中的结构响应规律。分析了现有研究的不足;以某立交G匝道曲线梁桥的桥台为工程背景,开展了基于实体的地震反应研究,并对地震过程中桥台背墙自底部向上各位置的位移时程曲线进行监测。在此基础上,对桥台高度、土体剪胀角度、土体与桥台接触条件三个因素对桥台地震响应的影响开展了研究。研究发现:随着桥台高度的增加,台背最大位移的放大系数逐渐变大;在该研究范围内,土体剪胀角对桥台地震位移响应影响不大;当不考虑桥台与土体分离效应时桥台顶部地震响应比考虑桥台与土体分离时的地震响应小,建议在进行桥台抗震设计中应准确模拟土体与桥台的接触界面状态。研究成果可为桥台结构的地震响应研究提供参考依据。     

近断层地震动作用下大跨度曲线刚构桥台阵试验研究

为了研究近断层地震动对大跨度曲线刚构桥抗震性能的影响,以某一大跨度曲线刚构桥为原型,设计制作1/40缩尺比例模型,选取同一地震中的近断层地震动记录和远场地震动记录,利用多子台积木式模拟振动台台阵系统,完成了横向、纵向、横向+纵向一致输入及行波输入的对比试验。研究结果表明:近断层地震动中所含的速度脉冲会对曲线刚构桥的动力响应产生显著影响,并且行波效应会进一步提升其对结构响应的放大作用;近断层效应的放大作用对刚度较大的结构或者结构某一个方向更为明显,而行波效应对结构的影响主要取决于由多点激励所激发的高阶反对称模态;与直线桥相比较,曲率半径会增大曲线梁桥的水平刚度,从而使近断层效应和行波效应对曲线桥的动力响应产生更不利的影响。因此,在靠近断层的区域遭受同样的地震作用,曲线梁桥将产生更为严重的破坏,建议在抗震设计中应特别注意处于断层附近的曲线桥结构。     

非规则高墩曲线桥梁振动台试验研究

据模型相似原理及多点激励理论,对缩尺比1:20的钢筋混凝土高墩曲线桥梁进行地震模拟振动台试验。研究高墩曲线桥梁结构在不同频谱地震波、不同峰值加速度及局部场地效应作用下高柔桥墩损伤模式及结构动力响应规律。结果表明,高柔桥墩损伤有明显的分布柔性特点,墩高差对桥墩裂缝开展及桥梁动力响应影响显著;不同频谱地震波作用下曲线桥梁结构动力响应规律各异;曲线桥梁结构动力响应峰值与地震波加速度峰值基本呈线性增长;局部地形效应使结构动力响应增大,导致曲线桥梁结构动力响应呈非线性增长;高墩曲线桥梁地震响应有明显空间性,首尾桥墩顶径向动力响应较大,易发生横桥向落梁破坏。     

动水压下减震连续梁桥随机优化及减震性能研究

地震作用下,跨海桥梁桥墩和周围水体的动力相互作用将对桥梁结构的动力响应产生较大影响。建立了考虑动水压力的2自由度连续梁桥简化分析模型,推导了其组合刚度和附加质量;提出了以墩顶位移方差最小为目标的黏滞阻尼器参数随机优化的Lyapunov方法。在此基础上,通过对设置黏滞阻尼器的某跨海连续梁桥简化模型进行了阻尼器参数优化,研究了动水压力和地震耦合作用下连续梁桥的减震性能。研究结果表明:动水压力增大了桥梁的地震反应,对桥梁的动力响应特性有较大影响。采用黏滞阻尼器可有效减小跨海连续梁桥的地震反应,改善桥梁结构抗震安全性能。     

基于静动力凝聚及扩展卡尔曼滤波的连续梁桥损伤识别

以卡尔曼滤波算法为代表的物理参数识别方法在结构损伤识别方面得到广泛应用,但限于状态方程的复杂性,大部分应用集中在具有平动自由度的剪切型建筑结构模型,且一般需要较完备的激励和响应信息。利用静力凝聚方法消去转动自由度以建立力学模型,并提出考虑Rayleigh阻尼的动力凝聚方法,实现了较复杂连续梁桥有限元模型的等效简化。针对桥梁检测及健康监测需求,提出了利用锤击产生自由振动的激励方式进行连续梁桥扩展卡尔曼滤波在线损伤识别方法,从而克服了传统方法需要复杂激励信号的不足。以一座三跨连续梁桥为例进行了仿真分析,识别出了不同位置的刚度和阻尼物理参数,参数识别结果具有较高精度和抗噪性,收敛速度快,证明该方法有效可行。     

曲线箱梁桥的车桥相互作用分析

针对公路和城市立交中的曲线箱梁桥,基于剪力柔性梁格法建立了曲线箱梁的梁格模型,进行了车桥相互作用分析。采用三角位移函数,基于平衡法推导了一种新型曲梁单元。利用曲梁的力-位移关系,得到了极坐标下空间曲梁单元的刚度矩阵和一致质量矩阵。根据拉格朗日定理,建立了7自由度空间车辆模型。采用逆傅立叶变换法,由功率谱密度生成了4种等级的桥面不平度。数值仿真了一混凝土单箱双室曲线连续箱梁桥的动力特性和车桥相互作用,并分析车辆横向位置、车速、桥面不平度、曲率半径等因素对桥梁冲击系数的影响。结果表明:该曲梁单元简便、实用,所建立的曲梁梁格模型可以准确地模拟曲线箱梁桥的车桥相互作用。     

基于动柔度法的轨道高架桥橡胶垫减振性能研究

为探讨下橡胶垫对桥梁减振效果,基于动柔度法建立车辆-轨道-桥梁耦合的垂向动力学模型,车辆考虑1/8轮对系统,只考虑一系弹簧阻尼计算车轮动柔度,钢轨看作无限长Timoshenko梁,桥梁简化为简支的Euler梁,扣件系统、橡胶垫用线性弹簧阻尼单元模拟,联合车轮动柔度、钢轨动柔度和线性接触动柔度计算频域轮轨力并施加到钢轨上,计算钢轨、道床板、桥梁的动力响应。采用振动加速度级、加速度级插入损失和Z振级插入损失评价橡胶垫的减振效果,结果表明,采用橡胶垫后钢轨振动响应略有增大,Z振级插入损失为–0.81 d B,道床板振动响应大幅增加,Z振级插入损失为–10.3 d B,桥梁的振动响应减小明显,Z振级插入损失为:15.6 d B,计算结果表明橡胶垫能有效的降低桥梁结构振动,相关的研究为桥梁的减振降噪提供了一定参考。     

一种基于冲击振动响应分析的桥梁橡胶支座病害诊断方法

提出了一种利用桥梁在冲击荷载作用下动力响应诊断既有桥梁橡胶支座脱空或者受力不均病害的理论方法。以支座刚度的相对下降量为病害指数,计算桥梁冲击响应及其对病害指数的灵敏度,建立灵敏度方程,采用有限元更新技术和优化算法识别支座刚度。一座铁路简支单箱梁桥和一座公路装配式简支箱梁桥的分析结果表明,利用所提病害诊断方法可以准确识别单个或多个支座的刚度变化量,从而判断桥梁支座是否脱空或受力不均。对于铁路简支单箱梁桥,宜将冲击点和响应点布置在扭转振动较大的梁翼缘上;对于公路装配式简支箱梁桥,宜将冲击点和响应点设置在每片主梁的轴线上。     

A Comparative Assessment of Aerodynamic Models for Buffeting and Flutter of Long-Span Bridges

Wind-induced vibrations commonly represent the leading criterion in the design of long-span bridges. The aerodynamic forces in bridge aerodynamics are mainly based on the quasi-steady and linear unsteady theory. This paper aims to investigate different formulations of self-excited and buffeting forces in the time domain by comparing the dynamic response of a multi-span cable-stayed bridge during the critical erection condition. The bridge is selected to represent a typical reference object with a bluff concrete box girder for large river crossings. The models are viewed from a perspective of model complexity, comparing the influence of the aerodynamic properties implied in the aerodynamic models, such as aerodynamic damping and stiffness, fluid memory in the buffeting and self-excited forces, aerodynamic nonlinearity, and aerodynamic coupling on the bridge response. The selected models are studied for a wind-speed range that is typical for the construction stage for two levels of turbulence intensity. Furthermore, a simplified method for the computation of buffeting forces including the aerodynamic admittance is presented, in which rational approximation is avoided. The critical flutter velocities are also compared for the selected models under laminar flow.     

公路斜交梁桥地震易损性模型研究

采用增量动力分析方法建立公路斜交梁桥地震易损性模型并开展易损性简化计算方法研究。依据不同的墩柱形式、支承形式及新旧规范将公路斜交梁桥分成8种桥型,统计桥梁结构参数并采用随机抽样方法确定其相应取值,依此装配生成240个基准桥梁样本,同时进行斜交角度变换建构新的桥梁样本。基于增量动力分析方法对相同斜交角下桥梁样本进行分析并建立易损性模型,重点研究斜交角与易损性参数之间的关系。研究发现:易损性模型中位值大致随斜交角的增加而减小,对数标准差则呈相反趋势。以计算得到的易损性模型参数为样本,拟合提出适用我国斜交梁桥的中位值修正系数公式,同时给出对数标准差的建议值,进一步总结公路斜交梁桥地震易损性简化计算方法,结果可为后续斜交梁桥地震风险评估及加固规范修订提供参考依据。