九度地震区高铁简支梁减隔震体系适应性分析

研究目的:随着我国"十三五"铁路规划深入发展,西南山区将陆续修建多条高速铁路,然而西南山区地震带分布广泛、活动断层十分密集,许多铁路线不可避免地跨越或靠近地震断层,近断层地震带与其诱发的大地震灾害必将是影响高速铁路安全运营的主要因素,而传统的铁路桥梁减隔震措施难以满足近断层桥梁抗震要求。因此,本文针对9度地区典型铁路简支梁桥,提出多种减隔震措施,研究各种措施的本构模型,并采用数值模拟方法,开展近断层9度地震区典型铁路简支梁桥合理减隔震措施的对比分析研究。研究结论:(1)近断层强震作用下,采用球型钢支座、双曲面球型减隔震支座两种措施无法有效控制墩梁间的地震相对位移,且球型钢支座措施极易引起落梁震害,两种措施不适用于近断层桥梁抗震;(2)在近断层强震作用下,采用双曲面球型减隔震支座+减震卡榫的措施可有效降低桥墩内力和变形,减震卡榫能够很好地耗散地震能量,限制墩梁地震相对位移,该方案适用于近断层高速铁路桥梁抗震;(3)本研究成果可为近断层铁路简支梁桥的设计建造与抗震设防提供技术支撑。     

近断层高速铁路典型桥梁抗震优化设计研究

研究目的:西南山区某高铁穿过现今非常活跃的小江断裂带,设防烈度高达九度。高地震烈度和近断层脉冲效应对铁路桥梁的抗震设计和高速列车行车安全提出了更高的要求。基于此,本文通过分析近断层地震激励下典型高铁桥梁的弹塑性动力响应规律,开展桥梁减隔震装置和桥墩设计参数优化研究。研究结论:(1)桥墩在近场地震动作用下轴力变化较大,对桥墩的承载能力产生较大的影响,在抗震设计中应予以考虑;(2)采取本文提出的优化设计流程能够使得桥墩在整个墩高范围内纵桥向和横桥向具有相近的安全储备,并充分发挥混凝土和钢筋两种材料的性能;(3)采用摩擦摆支座+限位耗能杆的减隔震体系具有良好的减隔震效果,内力减震率可达20%以上;(4)若允许支座销钉在多遇地震时剪断,可使多遇地震下墩底内力进一步降低11%～45%,由此降低的梁体横向加速度和增大的位移响应对行车安全性影响应进一步结合车桥耦合振动分析确定;(5)本研究成果可为高铁典型桥梁抗震设计提供参考和依据。     

近断层高烈度地震区铁路简支梁桥减隔震方案研究

近断层地震往往给工程结构造成较大的破坏，现行《铁路工程抗震设计规范》对近断层、减隔震问题尚未考虑。以某近断层高烈度地震区铁路简支梁桥为研究对象，梳理了国内外相关规范对近断层桥梁抗震的要求，提出相应的减隔震设计原则、设防标准。采用MIDAS软件建立桥梁有限元模型，运用非线性时程分析方法，考虑近场地震特性，进行了基于双曲面球形减隔震、黏滞阻尼器减震以及新型回形钢阻尼减隔震支座的减隔震效果研究。研究结果表明，传统的铁路桥梁减隔震措施难以满足近断层桥梁抗震要求，回形钢阻尼减隔震支座具有位移大、阻尼力可调、养护维修少、安装方便等特点，对近断层高烈度地震区简支梁的减隔震设计适应性好。     

高速铁路连续梁桥纵向减震装置机理性研究

研究目的:为了给高速铁路大跨连续梁桥纵向减震设计提供依据,本文基于某(60+100+100+60)m大跨连续梁桥,对比研究采用Lock-up装置、粘滞阻尼器和双曲面球型减隔震支座的减震机理与减震效果,对影响减隔震效果的相关参数进行分析研究,并讨论减隔震装置的合理参数区间以及适用范围。研究结论:(1)Lock-up装置不耗能,通过改变结构地震力分配路径来减小固定墩内力响应,但会减小结构纵向振动周期,导致结构总体内力响应增加,因此对于矮墩桥梁的减震效果较好;(2)粘滞阻尼器不改变桥梁结构的动力特性,主要通过滞回耗能来减小结构地震响应;(3)采用双曲面球型减隔震支座后,结构的纵向振动周期延长,支座滞回耗能为结构提供了附加阻尼,显著减小了固定墩的内力,但同时增加了墩梁相对位移;(4)该研究成果可以为高速大跨连续梁纵向减震设计提供参考。     

川藏铁路大跨度钢桁拱桥近断层地震响应与减隔震措施

以川藏铁路近断层地震区某大跨度上承式钢桁拱桥设计方案为工程背景,采用反应谱法和时程分析法进行拱桥地震响应分析,并根据计算结果提出合理的减隔震措施建议。研究结果表明:拱桥结构首阶振型为拱梁横向对称弯曲,且反应谱法和时程分析法中横桥向响应均大于顺桥向响应,说明拱桥的横向为抗震的不利方向;由于近断层三向地震波的影响,桥梁结构弹性时程分析法的结构响应多大于相应地震水准下反应谱法的结构响应;未设置减隔震措施时,桥梁应力、内力及变形普遍不满足本桥的抗震设防要求;设置"摩擦摆支座+纵向阻尼器"减隔震措施后,桥梁自振周期有所增加,桥梁应力、内力及变形均明显减小,可满足川藏铁路桥梁更高设防目标的要求。     

近断层地震动作用下隔震曲线桥地震反应分析

研究目的:近年来在多次地震中近断层区域曲线桥遭受到严重破坏,甚至倒塌;与此同时,为提高桥梁的抗震性能,隔震技术逐步应用于桥梁工程中,并表现出良好的隔震效果,因而有必要研究近断层地震动作用下隔震曲线桥梁的地震反应。本文对采用摩擦摆支座的隔震曲线桥进行近断层地震动作用下的地震反应分析,研究近断层地震动对隔震曲线桥地震反应的影响,以期为近断层区域隔震曲线桥梁的设计提供参考。研究结论:(1)近断层脉冲型地震动作用下摩擦摆支座的位移和剪力显著增大,易造成支座破坏,甚至产生落梁;(2)近断层脉冲型地震动作用下桥墩的内力和位移均显著增大,易造成桥墩破坏;(3)在进行隔震曲线桥设计时,应对支座采取限位措施,并提高桥墩的抗震能力;(4)本研究成果可为近断层区域隔震曲线桥的设计提供参考。     

高阶模态对铁路减隔震桥梁地震响应的影响

研究目的:针对减隔震桥梁的抗震分析,各国规范都提出了单模态的反应谱分析方法,然而在一些条件下高阶模态的参与程度增加将导致单模态的分析方法产生严重的偏差。为分析高阶模态对减隔震桥梁地震响应及简化抗震分析方法的影响,本文以高速铁路典型简支梁桥为例,采用模态时程分析方法探讨基阶模态对减隔震桥梁墩顶位移、墩底剪力等各项不同地震响应参数的贡献程度,并采用直接积分的非线性时程分析方法研究罕遇地震作用下墩顶位移峰值时刻、墩底剪力峰值时刻等多个关键时刻桥墩-减隔震装置-主梁体系的变形特点,最后采用一种单模态反应谱分析方法说明高阶模态对该类方法计算精度的影响。研究结论:(1)在墩高较高或减隔震装置设计位移较大的情况下,高阶模态将极大影响减隔震桥梁的地震响应;(2)基阶模态对于减震榫变形和主梁位移的贡献较大,而对墩顶位移和墩底弯矩的贡献较小,对墩底剪力的贡献程度最低;(3)高阶模态的影响会降低单模态反应谱分析方法的计算精度,尤其是墩底剪力;(4)本研究成果可应用于高铁桥梁的减隔震设计。     

高速铁路梁桥减隔震研究

研究目的:高速平稳行车的安全性、舒适性、巨大的列车活荷载对高速铁路桥梁支座的性能有着严格要求,一般的减隔震装置难以满足要求。因此,本文提出功能分离的设计理念,研发适用于高速铁路桥梁的功能分离型减隔震系统,并采用振动台试验验证功能分离型减隔震系统对高速铁路简支梁桥地震响应的控制效果。研究结论:(1)功能分离型减隔震系统工作后,桥面峰值加速度在不同烈度下减少幅度达30%~51%,证实了功能分离型减隔震系统的有效性,台面加速度被削弱程度仅与地震输入烈度大小有关,与输入地震波特性无关;(2)功能分离型减隔震系统工作机制遵循了本文建议的基于功能分离型减隔震系统的高速铁路桥梁减隔震设计原则;(3)地震强度对功能分离型减隔震系统的最大水平滑动位移影响较大,最大水平滑动位移随着地震强度的增大而增加,功能分离型减隔震系统复位状况良好,发挥了良好的滞回耗能和提供了足够的恢复力的功能,阻止能量向桥梁上部结构的传递;(4)调节功能分离型减隔震系统中的铅芯橡胶支座的水平刚度,可有效减小梁体在地震作用下的水平位移,提高功能分离型减隔震系统的适用性是进一步研究内容;(5)该研究结论可为减隔震技术在高速铁路简支桥梁中的设计和应用提供全新的思路和手段。     

轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响

轨道是限制铁路桥梁减隔震装置在地震中发挥耗能作用的一个可能因素。为了分析轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响,以高速铁路客运专线上两座采用不同减隔震装置的32m简支桥梁为对象,用非线性弹簧单元模拟道床的纵向位移阻力关系,建立地震作用下桥梁与轨道共同作用的线桥一体化计算模型,对其进行弹塑性地震响应分析。结果表明:轨道对铁路减隔震桥梁纵向自振频率的影响不可忽视,影响程度与道床阻力系数有关,随着道床阻力系数增加,结构的自振频率增大;轨道约束虽然对墩底的最大地震剪力影响不大,但对桥梁纵向地震位移和减隔震装置变形的影响出现增大和减小两种现象,设计时应考虑轨道约束产生的不利因素,适当提高相邻梁间的结构允许相对变形要求。     

客运专线桥梁中减隔震技术应用研究

研究目的:基于某客运专线铁路桥梁穿越地震断层带,研究桥梁采用合理的设计理论、方法及有效安全的抗震或减隔震措施,完成在发育区域性地质断层带内的桥梁抗震设计。研究结论:依据实际地质情况,采用反应谱法和时程法,计算比较了桥梁使用普通盆式支座与双曲面球型减隔震支座地震反应的差异,结果表明双曲面球型减隔震支座可大幅降低墩顶的水平地震力,并能满足桥梁在区域性地质断层带内结构大变位的要求,为桥梁下部结构优化设计提供依据,并产生很好的经济效益和社会效益。双曲面球型减隔震支座首次应用于跨越地质断层带的客运专线桥梁工程中,希望为今后铁路桥梁在跨越复杂地质区域及地震高烈度区域提供设计依据,也为今后相关设计规范、标准的修订提供技术支持。     

铁路连续刚构桥近断层地震响应分析研究

研究目的:近断层地震动的加速度峰值(PGA)、速度脉冲等特征与远场地震有较大差异,对桥梁结构的破坏力更大。因此,为获得铁路连续刚构桥在近断层地震作用下的响应特点与破坏形式,以指导川藏铁路等近断层铁路桥梁的设计,本文以川藏铁路采用的典型连续刚构桥为对象,利用FRAME(3D)软件建立全桥有限元分析模型,开展铁路连续刚构桥近断层地震响应分析与破坏形式研究。研究结论:(1)有能量脉冲的、长周期成分丰富的近断层地震动对桥梁结构的破坏较远场地震更严重;(2)桥墩损伤程度与PGV/PGA的关系明显,其比值越大,破坏越严重,可将PGV/PGA作为判断地震动是否对结构产生严重破坏的重要指标;近断层地震动中,PGV/PGA0.2 s出现的比例高,桥墩损伤严重;(3)连续刚构桥在地震作用下的损伤主要集中在墩底、墩顶或系梁部位;(4)近断层桥梁结构抗震中,既要考虑断层地震脉冲式大功率输入的因素,又要考虑高强低周疲劳效应的累积损伤;(5)本研究成果可为近断层铁路连续刚构桥的设计建造与抗震设防提供技术支撑。     

高速铁路简支梁桥减隔震研究

研究目的:近年来,为满足人们对交通运输的需求,高速铁路工程事业正蓬勃发展,相应的高速铁路抗震问题也引起越来越多的学者们的关注。但是,一般的减隔震装置难以满足高速铁路地震时行车安全性的严格要求。基于此,本文针对罕遇地震作用下的高速铁路简支梁桥提出一种新型减隔震系统,并对新型减隔震系统的动力设计参数进行优化设计,使其更好地服务于高速铁路桥梁。研究结论:(1)在LRB性能参数的可行域内能够获得满足本文分析模型约束条件的最优解,因此优化设计提高了新型减隔震系统的控制效果,可降低生产成本;(2)新型减隔震系统对强震下高速铁路简支梁桥地震响应具有良好的控制效果,新型减隔震系统可在减少梁端纵向位移、保证桥墩不屈服的基础上,使桥墩底部的弯矩最小化;(3)在高速铁路简支梁桥的减隔震设计中,梁端纵向位移和桥墩剪力是主要约束条件,对新型减隔震系统性能参数最优解的选取起着重要作用;(4)利用SQP算法求解本文建立的优化设计模型,最优解收敛迅速且稳定;(5)该研究结论可为减隔震技术在高速铁路简支桥梁中的设计和应用提供全新的思路与手段。     

近场地震动作用下山地隔震框架结构抗震性能

研究目的:近断层地震动具有明显的长周期高能量的速度脉冲,对隔震结构可能造成严重的破坏,我国大部分山地地区处于地震多发带,对于修筑其上的隔震建筑结构来说,对其抗震性能的研究显得尤为重要。本文通过筛选来自台湾集集地震的不同特性的近断层地震波,并对不同特性的近断层波进行频谱分析,引入多次透射边界以模拟场地的无限性,分别考察上盘效应、脉冲效应、向前方向效应以及滑冲切效应对山区多层接地基础隔震框架结构动力响应的影响。研究结论:(1)未调幅的上盘地震动作用下结构的地震响应大于下盘,调幅后却下盘大于上盘;(2)在含滑冲切效应脉冲、含向前方向性效应脉冲、无速度脉冲地震动作用下,结构的地震响应的大小关系为:含滑冲切效应脉冲含向前方向性效应脉冲无速度脉冲;(3)向前方向效应地震动断层法向分量作用下结构的响应明显大于断层平行分量地震动;(4)本文给出了近断层地震动特性对多层接地隔震框架结构地震反应影响的规律,对近震区山地隔震框架结构的设计具有一定参考意义。     

新型减隔震装置在高速铁路桥梁中的应用研究

研究目的:针对铁路简支梁桥的抗震设计特点,提出一种适用于高速铁路简支箱梁的新型软钢阻尼器——弹塑性限位减隔震装置,该装置可与常规桥梁支座共同作用,组成一种新的减隔震体系。以某高速铁路双线32 m简支箱梁为计算实例,结合试验研究成果,采用滑移三折线恢复力模型输入弹塑性限位减隔震装置的力学特性,利用非线性时程分析方法,对弹塑性限位减隔震装置的减隔震性能进行分析。研究结论:(1)采用滑移三折线模型,可以很好地模拟弹塑性限位减隔震装置的非线性特征,装置计算输出的滞回曲线与试验研究结果可以很好地吻合;(2)弹塑性限位减隔震装置可显著延长桥梁的自振周期,并通过装置的塑性变形耗能能力可以大幅降低桥墩的地震力,对于不同墩高的32 m简支箱梁桥,弹塑性限位减隔震装置均可以发挥良好的减隔震效果,罕遇地震下的减震率在55%以上,减震效果优良;(3)新型弹塑性限位减隔震装置,构造简单、施工方便、性能可靠,在工程造价有限增加的情况下,能以较小的代价将高速铁路常规简支梁桥的抗震设防等级由多遇地震提高到罕遇地震,社会与经济效应显著;(4)弹塑性限位减隔震装置可以有效地降低结构关键部位在地震作用下的位移,减小结构构件的地震力,确保结构在地震下的安全,在高速铁路桥梁抗震领域中将会有广阔的前景。     

增设黏滞阻尼器加固铁路桥梁的减震控制分析

研究目的:基于大地震中铁路桥梁因为墩梁横向位移过大造成的落梁等破坏,本文提出在T梁和墩顶之间增设黏滞阻尼器对桥梁进行减震控制的加固方案。以采用圆端型桥墩的某混凝土简支双片式T梁铁路桥为例,通过ANSYS软件建立桥梁结构模型,选取4条地震动记录,分析地震作用下不同墩高时桥梁的动力响应;选取两种液体黏滞阻尼器的加固布置方案,分析不同的阻尼器布置位置对桥梁墩顶的横向位移以及墩梁横向相对位移的影响规律,研究阻尼器不同设计参数对桥梁耗能减震的效果,结合阻尼器优化得到的参数并最终选定一种效果较好的加固方案。研究结论:(1) 8度罕遇地震作用下,墩顶位移和墩梁相对位移较大,超出了铁路桥梁的允许位移值;(2)随着墩高的增大,墩顶位移随之增大,而墩梁相对位移的变化规律不明显;(3)本铁路桥梁加固时液体黏滞阻尼器的推荐参数为阻尼速度指数a=0.3,阻尼系数C=5 000 k N·(s/m)a;(4)液体黏滞阻尼器能够显著降低地震作用下的墩顶位移和墩梁相对位移,消能减震作用显著;(5)本研究结论可用于既有铁路桥梁的抗震加固及减震控制。     

多跨连续梁桥的隔震方案研究

为改善多跨连续梁桥的抗震性能,以(55+4×90+55)m的韩江特大桥主桥为研究背景,采用ANSYS软件建立全桥有限元模型,应用非线性时程分析方法对不同减隔震支座方案的桥梁结构地震响应进行分析。研究结果表明:不同减隔震支座方案下韩江特大桥主桥纵飘和主桥横弯振型出现的阶数与对应的自振频率均不同;韩江特大桥主桥的减隔震支座方案宜优先选用摩擦摆减隔震支座,在隔震支座选型时应综合考虑墩底弯矩、墩梁相对位移、支座位移等多项指标。     

摩擦单摆支座的设计与减隔震性能分析

研究目的:随着中国高速铁路的蓬勃发展及世界各地强烈地震的频发,桥梁减隔震技术及产品迎来了其推广应用的最佳机遇。本文通过对TJGZ-FPB系列摩擦单摆支座理论、设计及测试的详细叙述,阐明其材料、结构特点及测试注意事项;通过对某铁路客运专线一座预应力混凝土简支梁桥进行非线性时程分析,验证其减震效果。研究结论:通过对摩擦单摆支座的减隔震性能分析研究,得出:(1)摩擦单摆支座建立在摩擦单摆系统(FPS)理论基础上,能够可靠地延长结构自振周期并适当耗散地震能力;(2)作为新型的减隔震产品,摩擦单摆支座无老化、疲劳等弱点,性能稳定,具备结构简单、加工方便、性价比高的特点;(3)结合实桥进行非线性时程分析后得出,合理设计的摩擦单摆支座可以减小桥梁墩底剪力40%以上,减小墩底弯矩60%以上;(4)摩擦单摆支座安全性和性价比高,可广泛推广应用于铁路桥梁的隔震支座。     

隔震曲线桥地震响应影响因素分析

研究目的:由于近断层区域曲线桥的震害严重,为提高其抗震性能开始逐步采用隔震技术,因而有必要对近断层地震动作用下隔震曲线桥的地震响应进行影响因素分析,进一步优化近断层区域隔震曲线桥的设计。本文对采用摩擦摆支座的隔震曲线桥进行近断层地震动作用下的地震反应分析,研究曲率半径、桥墩高度和地震动输入方向对隔震曲线桥地震响应的影响。研究结论:(1)圆心角大于30°时,曲率半径对隔震曲线桥的支座和边墩的受力性能影响较大;圆心角小于30°时,隔震曲线桥可按照直线桥进行设计;(2)由于采用隔震技术,桥墩高度对下部结构桥墩的受力性能影响较大,而对隔震支座和上部梁体的影响较小;(3)对隔震曲线桥中的桥墩进行设计时应考虑最不利的地震动输入方向,可沿桥墩平面的法向输入地震动对桥墩进行地震响应分析;(4)本研究成果可为近断层区域隔震曲线桥的设计提供参考。     

E型钢阻尼支座的设计与减震性能分析

研究目的:本文介绍了E型钢阻尼支座的工作原理、设计方法、应用实例,并对其进行了有限元分析和试验室测试,验证其设计及其应用的可行性。另外对E型钢阻尼支座进行了实桥减震性能分析,分析其设计地震和罕遇地震下的相对位移和桥梁内力,验证其耗能效果。研究结论:本文对于E型钢阻尼支座的设计计算方法与有限元分析和试验室测试结果基本一致,说明该设计的正确性和可行性。实桥分析结果表明:(1)E型钢阻尼支座可有效减小简支梁桥的墩顶相对位移和墩底内力,满足抗震要求;(2)其滞回曲线饱满,说明E型钢阻尼支座的型钢耗能部件已经进入塑性阶段,且发挥了良好的耗能特性;(3)E型钢阻尼支座可有效减小桥梁的地震响应,从而保护桥梁结构避免在地震中破坏;(4)E型钢阻尼支座可推广应用于采用减隔震设计的铁路桥梁中。     

地震动脉冲参数对近断层区深水桥墩动力响应的影响分析

本文采用基于流固耦合理论的势流体计算方法,以某典型铁路深水桥梁为研究对象建立墩-水作用模型,引入人工合成近断层等效速度脉冲方法,量化分析并提炼脉冲参数对深水桥墩动水压力及结构地震响应的影响规律。研究表明:脉冲效应有可能使结构动力响应成倍增大,脉冲峰值Vp、脉冲周期Tp和脉冲类型等3类脉冲参数对深水桥墩动力响应均存在明显影响。随着脉冲峰值Vp的增大,不同水深下桥墩结构的动力响应均增大;当脉冲周期Tp接近桥墩结构自振周期时,其动力响应被明显放大;对于本文算例,C类脉冲的影响最明显,B类次之,A类最小。结合反应谱分析可知,不同脉冲参数的影响方式和幅度有所差别,一定程度上可以根据脉冲波反应谱的频谱强度及周期分布特征解释。进行近断层区深水桥梁抗震设计时,应对比检验不同类型脉冲参数的潜在影响,确保桥梁地震安全。