30t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应研究

为研究多跨30 t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,采用经过验证的梁轨相互作用模拟方法,建立了考虑桩-土共同作用、桥墩弹塑性变形、滑动支座摩阻力、线路非线性阻力的多跨重载铁路简支梁桥与双线有砟轨道相互作用仿真模型,揭示了一致激励和行波效应下重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,探讨了路基段钢轨长度、简支梁跨数、跨度、线路纵向阻力形式、滑动支座摩阻系数等设计参数的影响,分析了温度、列车制动和地震耦合作用下系统的受力特征。研究表明:当地形地质条件相差不大时,简支梁跨数可简化为11跨、路基段钢轨长度可取为150 m;线路阻力减小时,梁体间、梁体与桥台间可能出现碰撞现象甚至发生落梁;纵向一致激励下,钢轨应力包络图呈"双菱形",其最大值出现在桥台附近,而梁缝附近梁轨相对位移较大,易发生动力失稳;行波效应下,系统受力和变形规律发生显著改变,即使对于跨度较小的简支梁桥,也应考虑行波效应的影响;温度和列车制动作用将进一步增大轨道结构在地震中发生动力失稳的可能性。     

地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。     

近断层地震动下高速铁路多跨简支梁桥震致破坏特征

我国高速铁路桥梁设计以行车平顺性作为首要目标,体现为基于刚度的设计,导致桥梁抗震性能和震致破坏特征不明确。基于此,建立了5跨32 m简支梁桥模型,模型包括桥墩、支座、梁体、轨道结构、钢轨等,同时考虑了桥下群桩基础的桩土相互作用和活动支座摩擦力受竖向力变化的影响。以此模型为基础,研究了近断层地震下多跨简支梁桥震致响应,参考构件破坏限值,分析了结构震致破坏特征,指出了高铁简支梁桥在近断层地震动下的破坏部位集中于梁缝处和滑动层,桥墩破坏并不严重,明确在高铁桥梁设计和评估中应关注上部轨道结构等功能部件的抗震性能及破坏特征,轨道结构的破坏可能会导致高铁桥梁功能中断和严重经济损失。     

斜交简支梁桥地震碰撞反应参数分析

为研究斜交简支梁桥地震碰撞反应,采用开放式地震模拟软件Open Sees,建立能够考虑梁体与桥台间纵向碰撞、摩擦作用及梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥精细化动力计算模型,分析水平地震动输入方向、竖向地震动和斜度等对斜交简支梁桥地震碰撞反应的影响规律。结果表明:忽略横向碰撞时,斜度为α的简支梁桥梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角在水平地震动以角度θ=90°-α输入时达到极小值;考虑横向碰撞后,由于挡块的有效限位作用,梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角会减小,竖向地震动对地震碰撞反应的数值有一定影响,但对其随斜度的变化规律没有明显影响,钝角处支座上拔力随斜度增大而增大,锐角处支座上拔力随斜度增大而减小,且支座上拔力由钝角处向锐角处逐渐减小,考虑水平地震动输入方向影响时,梁端纵向最大位移随斜度增大而增大,上部结构峰值转角、梁端纵向最大碰撞力随斜度增大呈先增大后减小的变化规律,梁体与挡块间横向最大碰撞力随斜度的增大总体变化不大。     

行波效应下铁路简支梁桥梁轨系统地震响应

基于多点激励的大质量法,采用非线性杆单元模拟梁轨接触,建立了考虑地震动行波效应的简支梁桥梁轨相互作用模型。以沪昆线上某5-32m简支梁桥为算例,分析了行波效应作用下轨道结构对桥梁地震响应的影响,研究了行波效应下钢轨和墩台的受力特性,并对相关参数的影响做了探讨。研究表明：行波效应下轨道结构将大大增强梁体和下部结构的地震响应;轨道对行波效应极为敏感,视波速越低轨道和墩台受力越大;支座布置形式和桥墩刚度突变对相邻桥墩受力影响显著;随着简支梁跨数的增加,钢轨和桥台受力逐渐增大并趋近于一定值。     

地震作用下斜交简支梁桥桥面旋转反应的参数分析

地震引起的斜交简支梁桥桥面面内旋转不仅增大了梁体的纵、横向位移,而且增加了梁体与边界碰撞的几率。为研究地震作用下斜交简支梁桥桥面的旋转反应,利用OpenSees地震仿真模拟平台,建立考虑梁体与桥台间纵向碰撞、梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥简化动力计算模型,分析梁体与桥台间纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间碰撞刚度、初始间隙、挡块力学特性等对斜交简支梁桥桥面旋转的影响。结果表明：纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间初始间隙对斜交简支梁桥桥面转角的影响较大,而横向碰撞刚度对桥面转角的影响相对较小;梁两端锐角区设置纵向垫块对减小桥面转角和纵向位移有较好的效果;设置弹塑性挡块能有效控制桥面的震致转动,减轻挡块的横向受力。     

碰撞效应对非规则梁桥横向地震反应的影响

摘要：通过考虑上部梁体与防震挡块间的横向碰撞效应,采用线性和非线性时程分析法对非规则梁桥横向地震力的分布规律进行了对比研究。研究表明：板式橡胶支座的采用有利于减轻由于墩高不一致带来的非规则梁桥横向剪力分布不均的困扰,但同时增加了主梁与挡块间横向碰撞的机率;碰撞效应的考虑不仅使桥梁结构动力响应增大,而且造成各墩受力重新趋于不均。最后通过参数分析,探讨了不同碰撞条件下非规则梁桥横向地震力分布的变化规律,得到了有益的结论。     

考虑桥墩及支座影响的梁桥竖向地震反应分析

将桥墩和支座简化为竖向串联弹簧系统, 考虑桥墩及支座轴向变形的影响, 建立了竖向地震作用下梁桥动力分析模型。考虑边界条件, 采用微分求积法对桥梁连续模型进行空间离散, 将其转化为多自由度体系, 采用逐步积分数值方法求解多自由度体系在竖向地震动下的反应。在此基础上, 通过算例数值分析, 研究了空间离散点数量、桥墩及支座轴向效应对桥梁竖向动力反应的影响;分析了不同外部激励下, 桥墩及支座轴向刚度变化对桥梁竖向动力反应的影响。研究表明:不考虑桥墩及支座影响时, 空间离散点数量对计算收敛性及计算结果影响很小;考虑桥墩及支座影响时, 空间离散点数量对计算收敛性影响很大。不同外部激励下, 桥墩及支座对梁桥反应的作用不同, 需要根据地震地面运动的频谱特性来判断。     

三跨斜交简支梁桥动力计算模型简化方法研究EI北大核心CSCD

以一座斜交角为45°的3×30 m简支梁桥为工程背景,借助Open Sees软件建立单梁模型和多梁模型,在忽略碰撞效应、仅考虑伸缩缝处纵向碰撞效应、同时考虑伸缩缝处纵向碰撞与抗震挡块处横向碰撞效应三种情况下,分析地震引起的桥面峰值转角及纵向最大位移的变化规律,并通过与精细化板单元模型计算结果的对比研究两种模型的计算精度。结果表明:忽略碰撞作用时,多梁模型和单梁模型均能合理反映三跨斜交简支梁桥实际的地震反应;考虑碰撞作用时,多梁模型的计算精度普遍高于单梁模型;通过改进单梁模型主梁节点质量的分布方式,可提高计算结果的精度,平均可提高8.7%。     

三跨斜交简支梁桥动力计算模型简化方法研究

以一座斜交角为45°的3×30 m简支梁桥为工程背景,借助Open Sees软件建立单梁模型和多梁模型,在忽略碰撞效应、仅考虑伸缩缝处纵向碰撞效应、同时考虑伸缩缝处纵向碰撞与抗震挡块处横向碰撞效应三种情况下,分析地震引起的桥面峰值转角及纵向最大位移的变化规律,并通过与精细化板单元模型计算结果的对比研究两种模型的计算精度。结果表明:忽略碰撞作用时,多梁模型和单梁模型均能合理反映三跨斜交简支梁桥实际的地震反应;考虑碰撞作用时,多梁模型的计算精度普遍高于单梁模型;通过改进单梁模型主梁节点质量的分布方式,可提高计算结果的精度,平均可提高8.7%。     

近断层地震作用下曲线桥碰撞效应及影响试验研究

为明晰近断层地震动作用下曲线梁桥碰撞效应及其影响,以某小半径带坡匝道桥为对象,设计制作1/10缩尺模型及可调式碰撞测试装置,选取同次地震中近断层和远场地震动输入,完成了单向和双向激励条件下试验模型桥的振动台试验。结果表明:与远场地震动相比,近断层地震动作用下曲线梁桥的碰撞效应(碰撞次数和碰撞力)有较为显著的增加,而碰撞效应的增大会增大支座的位移响应,进而增加支座失效或落梁风险,且双向地震动影响更大;碰撞对边墩和中墩沿碰撞力方向的切向位移峰值增加显著,对碰撞力方向上试验模型桥的墩顶有效均方根位移响应均有放大作用,碰撞会增加试验模型桥桥墩的破坏风险。曲线桥抗震设计中应考虑近断层地震动诱发的碰撞效应影响。     

考虑桩-土相互作用的多年冻土区多跨简支梁桥地震响应分析

为分析青藏铁路多年冻土区多跨简支梁桥地震响应情况,建立了一座10×32m箱形多跨简支梁桥三维全桥模型,以等效基础弹簧考虑桩-土相互作用;以具有初始间隙的并联弹簧-阻尼单元模拟伸缩缝两端结构的碰撞,研究了冻土融化深度、行波效应及碰撞效应对多跨简支桥梁结构地震响应的影响。结果表明:随着融土下限加深,等效基础弹簧刚度明显减小,在强地震动作用下,桥梁结构易发生落梁、桥墩倾覆等震害;当相邻碰撞体的相向位移超过伸缩缝宽度时两者发生碰撞,碰撞次数及碰撞力随地震动视波速及行进距离不同而不同,在行波波速较低且行进距离较小时碰撞效果明显,对桥梁地震响应影响较大,极易导致落梁;此外桥台对结构地震响应亦有显著影响。在对多年冻土区多跨简支梁桥抗震性能进行评估时,应特别重视夏季地震动低速行波时可能发生的震害。     

桥墩不均匀沉降对高速列车运行安全影响研究

针对运营阶段列车循环加载导致软土地基桥梁产生附加不均匀沉降威胁行车安全性问题,分别建立车辆-桥梁动力相互作用模型、桩基础-地基沉降模型。将用动力模型获得列车过桥时支反力时程作为外部激励,利用沉降模型研究列车荷载作用下桩基础的累积沉降规律;将由桥墩沉降产生的附加线形变化叠加到原始轨道不平顺中,考虑由其引起的竖向类离心力影响,用动力模型研究桥墩不均匀沉降对列车行车安全影响。以德国ICE3高速列车及三跨32 m简支梁桥为研究对象进行实例分析,结果表明,软土累积沉降主要发生在桩底约10 m厚土层范围内;相邻桥墩沉降引起的桥梁相对上拱对行车安全更不利。     

考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应

为研究考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应,选用某高速铁路连续梁及32 m简支梁桥作为研究对象,分别建立考虑轨道约束模型和传统全桥模型,基于绝对位移输入法(ADM),开展行波效应对两种不同抗震体系(延性及减隔震)铁路桥梁地震响应的影响分析。研究结果表明:对于延性抗震体系,行波对墩底曲率的影响表现为行波对结构反应更有利;对减隔震体系,行波对墩底内力的影响不及延性抗震体系明显。两种抗震体系中,墩梁相对位移的变化应予以考虑,防止邻梁碰撞现象。行波效应对轨道系统的影响应重点关注,避免其轴力过大发生扭曲。不同视波速下,简支与连续梁上的剪力齿槽水平剪力分配呈现此消彼长的现象,简支梁上剪力齿槽抗力应加强设计。行波中的拟静力成分对轨道系统地震响应的贡献显著,动力成分主导桥墩地震响应,两者共同决定总地震响应。     

汶川地震回澜立交桥震害成因分析

绵竹市回澜立交桥为典型的小曲率半径梁桥,在汶川地震中该桥桥墩普遍出现塑性铰压溃破坏。基于对回澜立交匝道桥的震害情况调查,建立桥梁三维动力数值模型,进行了动力特性及动力时程分析,在时程分析中考虑了材料弹塑性、边界碰撞效应以及支座滑移效应等关键非线性因素,并研究了各因素对桥梁地震动响应的影响,最后,基于定性与定量分析的结论,得到了回澜立交匝道桥的震害成因。     

简支梁桥形状记忆合金装置减震防落研究

进行了直径为8 mm的国产形状记忆合金棒材拉伸试验,由实验数据拟合得到其基本力学模型参数。以一座3跨简支梁桥为例,基于日本桥梁抗震规范设计形状记忆合金减震防落装置。采用ABAQUS有限元分析软件建立该简支梁桥有限元分析模型,进行地震响应动力时程分析。研究形状记忆合金防落装置初始间隙、装置长度对防落效果及桥墩内力的影响规律,且与传统的钢绞线防落装置进行了对比分析。研究结果表明减少形状记忆合金装置长度与初始间隙,碰撞现象和墩梁相对位移会减少,但墩底剪力会相应增加;形状记忆合金防落装置对碰撞与墩梁相对位移的控制效果优于钢绞线防落装置。     

X形弹塑性钢挡块对简支梁桥横向地震反应影响

为研究X形弹塑性钢挡块对桥墩横向地震响应影响,以简支梁桥为背景建立有限元模型。采用非线性时程方法分析弹塑性钢挡块屈服强度、桥墩高度、板式橡胶支座临界滑动力对桥墩地震响应影响。研究表明:与横桥向不采用任何约束相比,弹塑性钢挡块可有效减小墩梁间相对位移;与横桥向采用刚度及强度较大混凝土挡块相比,弹塑性钢挡块可有效减小桥墩剪力及弯矩。桥墩地震反应受弹塑性挡块屈服强度、墩高及板式橡胶支座临界滑动力影响较大。     

非规则梁桥横桥向地震碰撞反应分析

针对连续梁桥在横桥向地震作用下梁体与抗震挡之间的碰撞现象,建立了考虑支座非线性和墩柱弹塑性的碰撞模型。在此基础上,应用非线性时程方法分析了横桥向地震作用下非规则梁桥梁体与抗震挡之间的碰撞对结构横桥向地震反应的影响,探讨了减轻碰撞和限制相对位移的措施和方法。研究结果表明:梁体与抗震挡块间的碰撞不仅产生很大的撞击力,还会导致桥墩的地震需求增大,对结构抗震不利。通过在抗震挡内侧安装橡胶缓冲垫,可以极大地减小梁体与抗震挡之间的碰撞力,同时减小矮墩区桥墩的墩顶横向位移和墩底塑性转角,不显著增加高墩区桥墩的墩顶位移和墩底塑性转角。     

基于行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系研究

针对目前最常用的32 m跨径高铁简支梁桥,同时考虑对行车安全不利的路桥过渡段和墩高改变处,对高铁桥梁的行车安全性能进行了评价;分析了铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等常规减隔震方案在高铁桥梁中运用的可行性。分析结果表明,采用盆式橡胶支座的高铁桥梁在地震作用下轨道变形和轨道横向加速度较大,无法满足高速运行的列车的行车安全性要求;采取常规减隔震措施之后,尽管地震响应有所降低,但在路桥过渡段依然无法满足列车的行车安全性要求。鉴于此,研发了抗冲击多向耗能阻尼器,与盆式支座相结合,提出了可以满足列车行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系。该体系可在地震作用时盆式支座剪断瞬间承受较大的冲击力,保证体系转换过程中桥梁结构的刚度不发生突变,控制轨道变形不超过允许的限值,保证列车的行车安全性。     

考虑温度相关性的LRB隔震桥梁地震响应分析

系统的研究了铅芯橡胶隔震支座的温度相关性,以及支座温度相关性对隔震桥梁地震响应的影响。试验温度的变化范围为-40℃至50℃,通过拟静力试验的滞回曲线测定了支座在不同温度下的屈前刚度、屈后刚度和屈服剪力。根据所测得的试验数据,采用回归分析,得出了支座的温度影响相关系数函数。建立了LRB隔震桥梁的力学模型,分析了考虑支座温度相关性对隔震桥梁地震响应的影响。比较了不同温度下支座滞回的计算结果。对比分析了不同温度下,隔震梁桥墩顶剪力、梁位移和梁加速度的计算结果,得出了若不考虑支座的温度效应墩顶剪力和梁加速度会有较大的误差,而温度效应对梁位移影响较小的结论。