铁路桥梁近断层地震响应与地震强度相关性

研究目的:以10组典型特征周期的铁路减隔震桥梁为研究对象,采用支座位置处延性位移作为地震响应参数(EDP),研究近断层地震作用下减隔震铁路桥梁地震响应参数与多种地震动强度指标IM的相关性。研究结论:(1)速度型IM指标最为适用于表征近断层减隔震桥梁非线性位移需求;(2)当结构初始特征周期与地震波高频能量集中区域频率及速度脉冲周期相近时,将导致EDP对IM值变化敏感,减隔震桥梁结构设计时应注意避开结构周期敏感区域;(3)本研究成果可为近断层铁路桥梁的减隔震设计提供技术支撑。     

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。     

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。     

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。     

高速铁路桥梁方向脉冲型近断层地震反应分析EI北大核心

研究目的:近年来,近断层地震对桥梁响应的影响日益引起研究者的注意,现有铁路规范对近断层效应的考虑较少。为研究方向速度脉冲效应对高速铁路桥梁地震响应的影响,基于Pacific Earthquake Engineering Research Center(PEER),Next Generation Attenuation Relationships for Western US(NGA West)强震数据库,采用ANSYS分析软件、ANSYS-APDL语言和弯矩曲率关系计算程序,建立了高速铁路桥梁全桥模型,考虑了轨道不平顺的影响,计算了近/远断层地震作用下桥梁的弹塑性地震响应。研究结论:(1)相比于远断层地震以及非脉冲型地震,方向脉冲型近断层地震对短周期结构地震响应影响较大,会增加桥梁位移及内力响应,其滞回特性表现出荷载-变形曲线中间加强的特点,会增加桥梁的结构和非结构损伤;(2)由于近断层地震较大的竖向地震动会改变桥墩轴力,导致梁体竖向挠度比远断层地震增加较多,《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)等规范规定竖向地震为横向的65%,会低估梁体竖向动力响应;(3)本文研究成果可以为高速铁路桥梁抗震设计提供参考,也为今后相关设计规范、标准的修订提供技术支持。     

近断层脉冲效应对高墩桥梁地震响应的影响

以一典型山区高墩桥梁为原型,利用ANSYS建立数值分析模型,采用能量识别的方法从台湾集集地震中选出脉冲和非脉冲地震记录各10条,对该算例桥梁进行了地震响应分析,对比分析了近断层脉冲效应对高墩桥梁地震响应的影响。研究结果表明:山区高墩桥梁墩高相差较大,主桥和引桥动力特性差异明显,地震作用下二者存在明显的不同步振动;由于近断层脉冲效应的影响,前场方向性效应产生的速度脉冲会对长周期段的反应谱产生明显的放大效应;近断层脉冲地震动将显著增大高墩桥梁的地震响应,相同的峰值加速度下最大改变率可达到21.0%。     

跨断裂地铁隧道地震动力响应特征研究

研究目的:活动断裂在我国分布较广,然而在长距离工程选线及设计中,线路往往会穿越或邻近活动断裂带。断裂粘滑作用常造成地震发生,加之地震动力作用下地铁隧道的地震响应和受力变形问题又是隧道设计的重点和难点,因此本文对地铁隧道跨越活动断裂进行地震荷载时程分析,从定量角度研究跨断裂地铁隧道地震动力响应特征。研究结论:(1)地表断裂位置处PGA放大系数最大,向两侧逐渐减小,具有典型的上盘效应;(2)地震作用改变了断裂附近隧道结构接触压力,在地震过程中,拱顶最大接触压力在上盘增大下盘减小,而拱底最大接触压力在上盘减小下盘增大,接触压力的主要变化范围在上盘40 m和下盘30 m范围内;(3)地震荷载下断裂附近隧道结构拱顶轴力在上盘增大下盘减小,而拱底轴力在上盘减小下盘增大,此外,在断裂位置处隧道结构弯矩和剪应力数值明显增大;(4)基于地震作用下跨断裂地铁隧道内力显著变化范围,给出了地震动力作用下跨断裂地铁隧道的纵向设防长度建议值为上盘40 m、下盘30 m,在此区域内应采取设置减震层、加固围岩和采用柔性接头等抗震设防措施;(5)本研究成果可为跨断裂地铁隧道抗震设防提供科学参考和理论依据。     

九度地震区近断层高速铁路简支梁桥减隔震支座系统研究

通过对渝昆(重庆—昆明)高速铁路九度地震区近断层地震动人工地震波进行反应谱分析,发现近断层地震动比远场地震动对高速铁路简支梁桥结构安全威胁更大,提出采用双曲面球型减隔震支座+剪力榫组合的减隔震支座系统进行抗震设计,并对其减震原理予以阐述。以近断层人工地震波为地震动输入,分别对10 m高实心墩和20 m高空心墩的五跨简支梁进行非线性时程分析。以普通支座作为参照,对比分析双曲面球型减隔震支座和双曲面球型减隔震支座+剪力榫组合的减隔震支座系统的减震性能。结果表明,九度地震区近断层高速铁路简支梁桥须采用减隔震支座系统才能满足结构抗震设计要求。     

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。     

基于谱分析与RC梁桥检验的脉冲型近场地震动强度度量指标

近场地震动和远离震源地区的地震地面运动存在显著区别,速度脉冲是其造成巨大震害后果的主要因素之一,有必要深入研究近场速度脉冲破坏能力的合理度量指标。在既有脉冲模拟模型的基础上,引入一种采用三角函数叠加不同比例高频分量的速度脉冲模拟模型,考虑地震下结构的累积能量和瞬时能量需求,以强度和能量为指标,对近断层地震的速度脉冲效应进行单自由度(SDOF)体系的谱分析,对不同脉冲参数下结构地震响应的影响程度进行定量对比。结果表明:同类脉冲下,累积输入能量受高频地震分量影响明显,而瞬时输入能量则主要取决于速度脉冲的自有强度,脉冲持时与结构自振周期之比、脉冲峰值是决定结构地震响应的最主要因素,从而构建表征速度脉冲强度的度量指标,并采用14条包含典型脉冲的近场地震记录为输入,以一座五跨连续梁桥为算例验证该指标的合理性。     

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。     

断层永久位移预测及断层悬索桥地震响应研究

断层错动诱导的地表破裂永久位移对跨断层桥梁结构会造成严重破坏,准确预测断层错位的永久位移对跨断层桥梁结构抗震性能评估具有重要意义。首先结合反向传播神经网络(BPNN)提出具有较高精度的断层错位量预测模型,然后通过低频成分叠加高频成分方法人工合成断层面两侧地震动(简称跨断层地震动),最后以某主跨为538 m的跨断层大跨钢桁架悬索桥为研究对象,利用有限元软件ABAQUS建立考虑桩-土相互作用(m法)的全桥计算模型,探究断层位置和跨越角度对悬索桥地震响应的影响。结果表明：基于BPNN提出的方法能精确预测断层位错永久位移,对比已有的回归公式具有更高的精度,为人工合成跨断层地震动的准确性提供了保障;断层相对位置会显著影响桥梁结构的地震响应,与近断层地震动作用相比,在跨断层地震动作用下,悬索桥的塔底剪力、弯矩、相对位移以及扭矩响应增加了22.79%、154.1%、139.36%和265.48%;断层跨越角度对悬索桥动力响应影响明显,其响应均以跨越角度θ=90°呈规律对称分布,塔顶纵向位移、塔底纵向弯矩、塔底纵向剪力以及塔底扭矩最大值均出现在θ=90°,分别为0.81 m、282.45 MN·m、3...     

近断层地震反应谱特性分析研究

为明确近断层地震反应谱的特征及其与抗震设计规范中标准反应谱的差异,以此指导近断层地区桥梁的抗震设计,通过统计分析与对比,开展近断层地震特性的研究,选取126条具有典型脉冲特征的近断层地震波,并按照断层类型分为3类,分别计算地震反应谱,并求得平均谱值。将结果与我国规范反应谱及39条ATC63远场地震波反应谱进行对比分析。研究结果表明:长周期范围(1.5~9 s)脉冲型地震波的反应谱明显高于我国现行规范的规定和ATC63远场地震波,最大可达3.7倍。我国规范规定的反应谱用于近断层结构设计时偏于不安全;在3类脉冲型地震波中,正逆断层的脉冲反应谱最大,近断层桥梁抗震分析应输入正逆断层脉冲型地震;对长周期结构抗震分析,应考虑近断层因素的影响。     

跨断层隧道纤维混凝土衬砌抗错断技术研究

研究目的:纤维混凝土在隧道黏滑断层抗错断设计方面鲜见报道,为提高跨黏滑断层隧道结构的安全性和稳定性,以某隧道F1黏滑断层段为研究背景,对跨黏滑断层隧道素混凝土与不同纤维混凝土衬砌结构条件下抗错断作用效果进行对比分析,以提出适宜黏滑断层隧道纤维混凝土衬砌抗错断技术。研究结论:(1)同体积纤维掺量条件下,SBFRC立方体抗压强度比SFRC略低,SBFRC抗折强度比SFRC略高,相差5%以内,SBFRC、SFRC抗压强度和抗折强度可近似相等;(2)断层黏滑错动对隧道上盘的影响大于隧道下盘;(3)下盘内纤维混凝土衬砌结构的抗错效果优于上盘,SFRC二衬平均抗错效果为12. 22%,SBFRC二衬平均抗错效果为15. 81%,SBFRC衬砌结构抗错断效果较SFRC抗错断效果提升29. 4%;(4)本研究成果对黏滑断层段隧道纤维混凝土衬砌设计具有指导意义。     

基于新型黏弹性阻尼减震器的跨断层铁路桥梁减震分析

基于功能分离的设计理念,提出了一种新型黏弹性阻尼减震器。以敦煌—格尔木铁路一座跨走滑断层铁路简支梁桥为研究对象,采用人工合成的地面运动时程曲线,应用非线性时程分析方法研究了新型黏弹性阻尼减震器对跨断层桥梁地震响应的影响。结果表明:新型黏弹性阻尼减震器能有效减小墩梁之间的相对位移,减震效果显著,减震率均在20%以上;新型黏弹性阻尼减震器对方向性效应的影响明显大于对滑冲效应的影响。     

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。     

近断层地震作用下拉索模数伸缩缝对斜交桥地震响应的影响研究

采用拉索模数伸缩缝减小斜交桥在近断层地震作用下的地震响应,控制斜交桥主梁旋转,减小支座位移,防止落梁发生.首先对拉索模数伸缩缝的工作原理进行详细阐述,其对斜交桥主梁的作用力将产生与主梁旋转方向相反的扭矩,使主梁旋转得到控制,进而降低支座位移,避免落梁;然后借助SAP2000有限元分析软件建立3 m×30 m斜交连续梁桥有限元模型;最后分析拉索模数伸缩缝、地震动输入角度、斜度对斜交桥抗震性能的影响.研究结果表明:在不同输入角度的近断层脉冲地震动作用下,对不同斜度的斜交桥,拉索模数伸缩缝均能够有效限制墩梁相对位移,防止落梁.     

近场地震作用下铁路减震桥梁地震响应研究

为分析近场地震作用下的铁路减震桥梁顺桥向地震响应特性,用远场地震叠加三角函数型速度脉冲的方法模拟近场地震波,根据结构的弹塑性地震响应计算结果研究速度脉冲的波形、出现位置、脉冲时间对结构地震破坏的影响。结果表明:近场地震作用下铁路减震桥梁的减震效果降低,且支座的地震位移显著增大;速度脉冲波形、脉冲波发生时刻以及脉冲持续时间对桥梁地震响应有较大的影响;结构地震响应的最大值与地震波的SI值有较强的相关性,但与PGV/PGA值的相关性不明显;考虑限位装置地震碰撞效应以后,虽然支座地震位移得到了控制,但带来墩底剪力显著增大的问题;缓冲措施可以减小因碰撞引起的墩底剪力。