罕遇地震作用下高速铁路减隔震简支梁桥合理计算模型的探讨

以往在分析减隔震桥梁的地震响应时,由于考虑到桥墩和基础应保持弹性工作状态,在基于强度的设计中偏于安全考虑桥墩一般采用毛截面刚度建立弹性梁单元模型。实际上,在罕遇地震作用下,桥墩墩底截面虽然未达到屈服状态,仍然会出现保护层混凝土开裂,并导致桥墩刚度降低。此时,应考虑对桥墩刚度进行适当修正以估计桥梁的各项地震响应参数,这也有利于实现减隔震桥梁基于位移的抗震设计。结合西部高速铁路中典型的简支梁桥结构形式,分别采用弹塑性纤维梁柱单元、弹性梁柱单元、考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩建立3种计算模型,探讨适用于罕遇地震作用下的高速铁路减隔震桥梁的合理计算模型。结果表明,当罕遇地震作用下桥墩位移延性超过0.5时,考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩的计算模型能够较好地估计桥梁各项地震响应参数。     

基于KDE的高烈度区典型简支梁桥地震易损性分析

为研究高烈度强震区各种墩高典型公路简支梁的抗震性能,以某8度地震区高速公路典型10~40 m墩高公路简支梁为研究对象,采用一种核密度估计(KDE)的桥梁易损性分析法开展不同墩高桥梁地震易损性分析。利用OpenSees软件建立各种典型墩高桥梁全桥有限元模型。考虑桥梁结构参数与地震动输入的不确定性,通过时程分析获得各墩高对应桥梁各构件的最大动力响应。运用核密度估计的桥梁地震易损性分析方法建立不同墩高公路桥梁的易损性曲线,对比研究不同墩高对桥梁各关键构件在地震作用下的易损性能及其差异性,研究8度和9度罕遇地震时各墩高桥梁关键构件在4种损伤状态下对应的地震易损性分布特征。研究结果表明:汶川地震作用下10~40 m墩高典型公路简支梁桥墩抗震性能良好,支座比桥墩更易损,随着桥梁墩高的增加,支座越容易发生地震损伤破坏,建议墩高超过40 m的桥梁采取减震耗能、限位措施,限制主梁发生过大位移,提高桥梁抗震性能。建立的地震易损性曲线可用于评估各种墩高典型公路简支梁桥梁的抗震性能,并为类似高烈度地震区公路简支梁桥抗震设计提供依据。     

减震榫在宝兰客专48 m简支梁桥中的设计应用

研究目的:位于高烈度地震区的高速铁路大跨简支梁桥具有质量重、跨度大、抗震设防问题突出等显著特点。多遇地震下可通过加强墩身及基础配筋来满足抗震需要,而罕遇地震下如何合理确保结构的安全,成为亟待解决的关键问题。本文针对宝鸡至兰州客运专线上位于0.3g动峰值加速度区的48 m大跨简支梁桥开展设计研究,采用墩顶设置减震榫的方式进行减隔震设计。研究结论:(1)减震榫采用"支座功能分离"的构思,将传统支座的水平力传递和竖向支撑功能完全分离,梁体竖向反力及梁端转角仍由支座实现,水平力及水平位移由采用低屈服点钢阻尼器减震榫支撑和控制,结构构造简单,设计理念先进;(2)减震榫的减震效率在顺桥向随着墩高的变化而变化,当墩高≤12 m,多遇地震下减震率最大达54%,当墩高增大到20 m时,多遇地震下减震率最小为29%,横桥向的减震率基本维持在43%~55%;(3)罕遇地震下,采用减震榫后,可以将墩顶罕遇地震下的水平地震力减小到多遇地震未采用减震榫时墩顶水平地震力的程度,随着墩高的增加,设置减震榫后罕遇地震下的水平地震力将略大于多遇地震下未设置减震榫的墩顶水平地震力;(4)本研究成果可为今后高烈度地震区大跨桥梁的减隔震设计和施工提供参考。     

九度强震区高铁简支箱梁减隔震体系研究

为提出适用于9度强震区高速铁路简支箱梁的合理减隔震体系,基于核密度估计的地震易损性分析方法,以某高速铁路9度区32 m跨度简支箱梁为工程背景,采用时程分析法建立5种减隔震方案下桥梁结构地震易损性曲线,研究5种减隔震体系对桥梁抗震性能的影响。分析结果表明：球型钢支座与减隔震支座限位能力不足,不能满足9度地震区铁路简支梁桥抗震需求;采用减隔震支座、弹塑性限位耗能装置与钢防落梁组合减隔震体系后,9度区铁路简支梁地震损伤破坏发生概率最低,罕遇地震下桥墩完全破坏发生概率可控制在8%,金属弹塑性限位耗能装置具有耗能减震效果,可降低墩底内力,保护桩基础,同时钢防落梁发挥限位作用,罕遇地震下支座发生完全破坏的损伤概率小于10%,有效防止了落梁震害;推荐双曲面减隔震支座+弹塑性限位耗能装置+钢防落梁方案作为9度区铁路简支梁的组合减隔震体系。     

铁路简支梁桥三维地震易损性分析

为了评估铁路简支梁桥在近场地震作用下的抗震性能,基于OpenSEES平台建立铁路典型5跨简支梁桥的易损性分析模型。从PEER数据库选取100条地震波作为三维地震动输入样本进行非线性动力时程分析,获得不同地震输入角度对应的桥梁地震响应数据。根据桥墩弯曲破坏和支座变形破坏的损伤状态方程确定相应的损伤指标。基于结构可靠度理论,建立桥梁三维易损性分析方法,从而获得了桥墩和支座构件的三维易损性云图。由云图可以得到:桥墩和支座均在顺桥向和横桥向输入方向上最容易发生损伤。研究结果表明:在近场地震作用下,铁路简支梁桥的易损性与地震动的输入角度密切相关;桥墩和支座的易损性随地震动输入角度的变化规律具有明显的区别。基于三维易损性云图,可以给铁路简支梁桥的抗震设计和震后损伤识别提供理论依据。     

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。     

熔断机制在摇摆桥墩连续刚构桥中的应用

研究目的:为了提高连续刚构桥的抗震能力,通过在桥墩墩底横桥向增加一对钢筋混凝土构件(称之为"保险丝"),提出一种具有熔断机制的摇摆桥墩连续刚构桥新型结构体系。研究结论:(1)通过对该结构体系与传统墩底固结结构体系在多遇地震、设计地震和罕遇地震作用下,结构地震需求、桥墩损伤情况的对比,发现该新型结构体系具有良好的抗震性能;(2)通过研究"保险丝"的混凝土破坏和钢筋滞回曲线的情况,说明在强震作用下"保险丝"发生破坏(称之为熔断),其耗能作用和熔断后桥墩摇摆都减少了输入到结构中的地震能量,起到了很好的减震效果,使得桥梁在多遇地震作用下几乎不发生损伤,在设计地震和罕遇地震作用下把损伤程度降到最低、损伤范围减到最小;(3)研究成果对提高强震作用下桥梁的抗震性能具有指导意义。     

低屈服点钢阻尼器在高速铁路简支梁桥中的应用研究

高速铁路简支梁桥应用低屈服点钢阻尼器,可以大幅度提高结构的抗震性能.选择三种墩高的典型高速铁路简支梁桥为研究对象,进行了罕遇地震下设置减震榫时的非线性时程反应分析及不设置减震榫时的线性时程反应分析.研究结果表明,减震榫有优异的减震性能,应用该装置可以大幅提高桥梁的抗震性能,解决了我国高速铁路桥梁刚度大,配筋率低,难以出现塑性铰的技术难题.     

基于双曲面球型减隔震支座的铁路简支梁桥桥墩地震损伤分析

由于双曲面球型减隔震支座作为一种新型支座在铁路桥梁中应用较少,采用ABAQUS软件建立8m及25m墩高的铁路简支梁桥有限元模型,研究双曲面球型减隔震支座减少桥墩地震损伤的效果,并对数值仿真结果进行振动台试验验证。研究结果表明:双曲面球型减隔震支座减少铁路简支梁桥桥墩地震损伤的能力远大于普通球型支座,且在大多数情况下能有效防止桥墩进入屈服状态;采用双曲面球型减隔震支座时,8 m墩的地震损伤减少的效果明显好于25 m墩,且25 m墩在高烈度地震作用下屈服的可能性较高。     

双曲面球型减隔震支座在城市轨道交通桥梁中的应用

对晋中—太原城市轨道交通L2号线高架桥梁采用双曲面球型减隔震支座进行抗震设计。利用MIDAS建立有限元模型,采用反应谱法、非线性时程法计算在多遇地震、罕遇地震作用下的地震反应。地震分析结果表明:在多遇地震下支座未被剪断,结构受力与普通支座一致,结构处于弹性工作状态;在罕遇地震作用下支座被剪断,双曲面减隔震支座发挥减隔震作用,结构仍处于弹性工作状态。与延性设计相比,采用双曲面减隔震的桥梁能有效降低地震反应,避免结构构件的损伤、震后修复困难等问题,能产生很好的经济效益和社会效益。双曲面球型减隔震支座应用于城市轨道交通桥梁工程中,可为今后地质条件复杂及地震高烈度城市地区的轨道交通桥梁提供设计依据,也可为今后相关设计规范、标准的修订提供技术支持。     

渝昆高铁典型连续梁桥地震易损性分析

为评估渝昆高铁典型三跨连续梁桥的抗震性能,基于概率地震需求分析方法对该桥进行理论地震易损性分析。选取渝昆高铁沿线实测地震动记录作为地震输入,考虑桥梁参数的不确定性,采用拉丁超立方抽样方法生成桥梁有限元模型样本库。基于增量动力时程分析方法,通过对桥梁样本库进行非线性时程分析,获得了各构件地震响应峰值,通过峰值响应与地震动峰值加速度的线性回归分析建立构件地震需求模型。进一步对比研究安装普通球型钢支座与双曲面球型减隔震支座桥梁的地震易损性曲线。研究结果表明:减隔震支座可有效降低制动墩易损概率,优化墩高不等的非规则桥梁结构的抗震性能。其研究方法与结论可为非规则连续梁桥抗震设计提供参考。     

基于阻尼参数的高速铁路连续梁桥地震损伤概率影响分析

为研究阻尼参数对高速铁路连续梁桥地震易损性的影响,以一座(32+48+32) m高速铁路连续梁桥为研究背景,借助大型开源程序Open Sees建立了数值模型,并应用基于可靠度理论的概率解析易损性函数表达式获得地震易损性曲线(面),探讨阻尼器参数对桥梁地震易损性的影响。研究结果表明:(1)设置阻尼器使桥梁受力更为合理,可进一步提高桥梁抗震性能;(2)阻尼系数的提高及阻尼指数的降低均使得桥梁固定墩曲率及活动支座位移减小,进而降低固定墩和活动支座在地震作用下的损伤概率。     

我国高速铁路桥梁技术的发展与实践

我国高速铁路的快速发展推动了高速铁路桥梁技术的飞速提升。本文从常用跨度简支箱梁建设、大跨度混凝土桥徐变控制及极限跨度、混凝土梁拱组合结构、大跨度桥无砟轨道技术、大跨度钢桥及拱桥技术、斜拉桥及悬索桥在铁路中的运用等方面对我国高速铁路桥梁技术的发展进行分析总结,回顾了我国高速铁路桥梁的发展历程和建设成就,探讨了我国高速铁路桥梁新技术,提出了开展新材料、新设备研究等中国特色高速铁路桥梁建设的发展方向和途径。     

基于摩擦摆支座的城市轨道交通异形连续梁桥减隔震分析

随着城市轨道交通业的迅猛发展,实际工程中对于桥梁的减隔震性能提出了更高的要求。针对异形连续梁桥减隔震的问题,以西安地铁5号线上该桥型为研究对象,采用弹性反应谱法及非线性时程反应分析方法,对普通支座和摩擦摆减隔震支座的两种模型在3条罕遇地震波作用下的各项地震反应进行研究。分析结果表明:采用摩擦摆隔震支座后,桥梁结构自振周期明显延长;桥墩在地震荷载作用下的墩底弯矩和墩顶位移反应显著减小;采用普通支座时,活动墩和固定墩地震力分配不均匀,采用摩擦摆隔震支座后,活动墩和固定墩均匀分配地震荷载,各墩协同抗震;摩擦摆隔震支座隔震效果明显。     

减震榫-活动支座减震机理及影响参数研究

阐述减震榫-活动支座的工作原理及构造形式,以某5跨高速铁路简支梁桥为例,研究减震榫-活动支座的减震性能,并系统分析支座动力参数及桥梁结构自振周期对减震榫-活动支座简支梁桥地震响应的影响。结果表明:减震榫-活动支座能有效降低桥墩的地震需求,但会在一定程度上增加梁体位移;支座屈服强度对桥梁地震响应影响较大,应综合考虑其对桥墩内力和梁体位移的影响规律进行优化选择;支座初始刚度主要影响上部结构位移而屈服后刚度主要影响桥墩内力,为保证减震榫耗能能力发挥,建议硬化比控制在0.15以下;减震榫-活动支座减震效果随桥墩刚度减小呈先上升再降低的变化规律,更适用于高度小于16 m的桥墩。     

材料参数对高速铁路连续梁桥地震易损性分析的影响研究

中等跨径的预应力混凝土连续梁广泛应用于高速铁路,以往震害及实验都表明该类桥型在地震下的破坏集中在桥墩和支座位置。为了研究材料参数对高速铁路连续梁桥地震易损性的影响,采用IDA方法,利用有限元软件Open Sees建立地震易损性分析模型。定义4种破坏极限状态,基于对数正太分布假设绘制各个破坏状态对应的易损性曲线。通过更改材料参数得到新的计算模型,并通过对比易损性计算结果来评价材料参数对桥梁抗震性能的影响。结果表明,高速铁路连续梁桥桥墩配箍率较低,提高桥墩混凝土强度等级对桥梁抗震性能改善较大。     

液体黏滞阻尼器在乌锡线黄河特大桥中的应用研究

乌锡铁路黄河特大桥主桥的桥式方案为长联大跨混凝土连续箱梁结构,梁部质量巨大,主桥的地震设防为本项目技术关键。利用Midas/civil建立空间有限元模型,选用适合桥址处场地等级及地震特性的3条地震波,采用非线性时程分析方法检算在活动墩与主梁之间设置液体黏滞阻尼器装置的抗震效果。结论为:在活动墩与主梁之间设置液体黏滞阻尼器装置,有效协调各活动墩在动力作用下的参与工作,降低固定主墩地震力,有效提高主桥的地震设防标准。     

铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥双向地震响应分析

采用铅芯橡胶支座,选取具有不同固有周期的4座铁路简支梁桥桥墩,建立空间有限元模型。以7组典型地震波作为激励,进行铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥的双向地震响应分析。采用时程分析法计算考虑和不考虑铅芯橡胶支座恢复力耦合作用的隔震桥墩系统的地震响应。分析结果表明:双向地震动作用下考虑耦合作用的铅芯橡胶支座的位移—恢复力曲线与单向地震作用下不考虑双向恢复力的耦合作用时的位移—恢复力曲线在形状上存在较大差别,铅芯橡胶支座的滞回耗能也不相同;不同地震激励下铅芯橡胶支座恢复力的耦合作用对铅芯橡胶支座峰值位移的影响程度不同;随着桥墩一阶固有周期的增加,铅芯橡胶支座恢复力的耦合作用对一阶振型方向的支座峰值位移的影响程度逐渐增大;梁体的峰值地震响应的规范计算值大都高于实际值,故按照规范值进行铁路简支梁桥的隔震设计偏于安全。