无锡市312高架桥倾覆事故分析

2019年10月10日，无锡市锡山区312国道某3跨混凝土连续箱梁在2辆车辆作用下发生倾覆。首先开展了事故现场调查工作，基于事故现场残骸照片及施工图纸，建立考虑几何非线性的有限元模型，进行倾覆破坏机理研究，提出了基于强度和倾覆稳定效应的超载判定方法。研究结果如下:基于标准车道荷载的倾覆验算结果表明，无锡桥不满足现行2018版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定的抗倾覆验算要求；上部结构在超载车辆作用下发生先转动、再滑动，最后产生了大幅转动与滑动相结合的倾覆破坏模式；从支座脱空到上部结构发生倾覆，结构仍有一定安全储备；基于强度和倾覆稳定效应的计算结果表明，现场超载车辆产生的倾覆效应大于结构抗倾覆承载力，说明超载是结构发生倾覆的主要原因，但通过进一步计算发现结构抗弯承载力充足，表明结构倾覆破坏早于强度破坏，结构抗倾覆能力与抗弯能力不匹配。     

桥梁支座整体更换施工的方法和措施

在桥梁结构中,支座是上、下部结构的连接点,其作用重大,但由于年久失养或橡胶支座本身老化、钢板支座锈蚀失效等问题,有些已直接影响到桥梁上部结构安全,需要在不破坏桥梁本身结构的情况下来对支座进行整体更换,使之恢复原有功能,以保证桥梁整体运行安全。本文对我们在桥梁支座整体更换工作中所采用的主要施工方法和措施作以简要介绍。     

板式橡胶支座滑动的地震响应分析

支座是桥梁中的支承部分,是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件,板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递完全靠接触面间的摩擦力作用,在地震作用下可能会发生滑动。通过建立单墩计算模型,对板式橡胶支座滑动的动力性能进行分析。为了克服由于板式橡胶支座滑动引起的梁体移位震害的不足,以一连续梁桥为研究背景,利用Midas软件进行了非线性时程反应分析,探讨目前板式橡胶支座桥梁所存在的问题,提出将梁桥中对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。结果表明：该方法能够有效地控制支座以及其上梁体的地震位移,减少落梁震害的发生。     

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。     

近场地震竖向分量对LRB基础隔震结构地震响应影响分析EI北大核心CSCD

该文主要对比分析了近场区竖向地震动对LRB基础结构动力响应的影响。首先,在ABAQUS有限元软件中建立了较为精确的有限元模型:上部结构采用纤维模型以考虑隔震结构在近场地震作用下可能出现的塑性变形,隔震层采用能反映隔震支座水平和竖向力学性能相互耦联的"Ryan-Kelly"力学模型;同时,综合考虑隔震支座的剪切破坏和拉压破坏以确定支座的破坏界限;在此基础上,分别进行隔震结构在水平地震单独作用和水平竖向地震联合作用下的动力分析,对比分析结果可知:近场区竖向地震动对于隔震支座的破坏模式影响较大,在较大的竖向分量作用下,隔震支座可能会在剪切破坏之前先发生拉压破坏;对于上部结构的动力响应,竖向地震动的影响具有随机性,但同样不可忽略,在某些工况下,考虑竖向地震作用会较大幅度地降低其水平动力响应。     

近场地震竖向分量对LRB基础隔震结构地震响应影响分析

该文主要对比分析了近场区竖向地震动对LRB基础结构动力响应的影响。首先,在ABAQUS有限元软件中建立了较为精确的有限元模型:上部结构采用纤维模型以考虑隔震结构在近场地震作用下可能出现的塑性变形,隔震层采用能反映隔震支座水平和竖向力学性能相互耦联的"Ryan-Kelly"力学模型;同时,综合考虑隔震支座的剪切破坏和拉压破坏以确定支座的破坏界限;在此基础上,分别进行隔震结构在水平地震单独作用和水平竖向地震联合作用下的动力分析,对比分析结果可知:近场区竖向地震动对于隔震支座的破坏模式影响较大,在较大的竖向分量作用下,隔震支座可能会在剪切破坏之前先发生拉压破坏;对于上部结构的动力响应,竖向地震动的影响具有随机性,但同样不可忽略,在某些工况下,考虑竖向地震作用会较大幅度地降低其水平动力响应。     

极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构流固耦合特性研究EI北大核心CSCD

跨海桥梁面临着海洋环境中极端波浪的巨大威胁,波浪-结构的耦合作用特性是跨海箱形桥梁上部结构的极端波浪设计中需考虑的关键问题。采用OpenFOAM程序基于有限体积法离散不可压缩流体的Naiver-Stokes方程,并结合SST k-ω湍流模型模拟极端波浪的生成、传播及冲击作用,以弹簧-质量-阻尼系统模拟箱梁上部结构运动体系,并基于动网格方法构建极端波浪与箱梁上部结构相互作用的多相流耦合模型。通过与模型水槽试验结果和已有文献的仿真结果的对比验证该耦合模型的有效性,随后利用该耦合模型探究了波浪参数、结构特性及约束刚度等参数对箱形桥梁上部结构波浪荷载、动力特性及支座力的影响规律。结果表明:结构与流体的耦合效应导致箱形桥梁上部结构所受波浪荷载的波动增大和极值减小,其中水平波浪力最大降低28%,竖向波浪力最大降低22.5%,考虑流固耦合能更为合理地反映极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构的实际波浪荷载;随着结构自振周期的增大,箱形桥梁上部结构所受的水平弹簧约束刚度下降,进而导致箱形桥梁上部结构的水平位移增大;在跨海桥梁上部结构的支座设计中不仅需要考虑上部结构所受波浪荷载,还应考虑结构运动及流固耦合效应对支座力的影响。     

地震作用下板式橡胶支座滑动引起的城市立交中的动力耦合作用

地震作用下具有不同动力响应特征的桥梁不同部位之间存在显著的相互作用。在城市立交设计中板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递靠接触面摩擦作用。橡胶支座与墩顶、梁底接触面地震作用下可能会发生滑动。以城市立交工程中一多跨简支梁桥为例,按照实际结构构造充分考虑材料非线性及连接构件的非线性等因素,分别以弹塑性纤维模梁柱单元、空间滑动支座单元和接触单元模拟桥墩屈服、支座的滑动、相邻结构之间的碰撞,通过非线性时程分析综合分析了由于支座滑动导致大的支座位移,并由此引起的相邻构件之间的碰撞以及由于碰撞导致的桥墩屈服等动力响应之间的耦合作用。     

曲线连续梁桥支座模型对结构地震反应影响分析

针对桥梁结构分析中常将聚四氟乙烯滑板橡胶支座处理成理想活动支座而忽略滑板与梁底钢板间摩擦耗能作用问题,采用双线性模型及摩擦滑动单元分别模拟滑板支座进行非线性时程分析,获得支座及结构反应。分析结果表明,理想的活动支座模型会高估桥梁的地震反应,双线性模型与摩擦滑动单元模型分析结果接近;摩擦滑动单元能考虑支座竖向力变化对摩擦力影响及曲线桥支座负反力情况,更符合实际,适用性更广。     

考虑板式支座滑动效应的桥梁振动台试验研究

在地震作用中,板式橡胶支座的滑动现象普遍存在,并可能导致梁体移位过大、梁体碰撞甚至落梁等一系列的连锁反应。通过试验对板式橡胶支座的滑动问题进行了研究;试验结果表明:高速公路典型桥梁中板式橡胶支座在还未达到设防地震作用就会发生滑动,很难满足《公路桥梁抗震设计细则》中规定的板式橡胶支座在地震作用下不允许发生滑动的要求;板式橡胶支座上表面先与下表面发生滑动,并且支座上表面滑动也更为频繁、尺度也更大;板式橡胶支座的滑动具有一定的隔震作用,可有效减小桥梁结构的地震反应,但这种隔震作用极不稳定;下部结构的大变形会使支座发生卡压,阻止其滑动位移的进一步扩大,间接发挥了防落梁作用。试验中板式橡胶支座间存在不均匀受压,导致部分桥墩受力过大而提前失效。     

考虑支座摩擦滑移的中小跨径桥梁抗震设计方法

通过对比中国、美国、日本中小跨径桥梁结构体系, 分析中国汶川地震和美国北岭地震、日本阪神地震中桥梁震害的差异以及中国汶川地震中桥墩破坏率较低的原因, 发现美国加州桥梁结构形式主要是框架式桥墩, 日本桥梁采用钢支座为主的支承体系, 而中国中小跨径桥梁主要采用板式橡胶支座, 中国公路桥梁抗震设计中直接引用国外抗震规范存在问题;结合板式橡胶支座与铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座和摩擦摆支座地震作用下耗能特点的不同, 提出中国广泛采用板式橡胶支座的中小跨径桥梁, 在抗震设计时支座可作为保险丝式单元优先损坏;参考美日两国的桥梁抗震设计方法, 给出了中国中小跨径桥梁考虑支座摩擦滑移的抗震设计方法, 建议中国中小跨径桥梁地震作用下利用板式橡胶支座摩擦耗能的特点, 通过支座摩擦滑移、最小支承长度和防落梁装置, 实现桥梁多道设防、分级耗能的抗震性能设计方法;最后给出了地震作用下桥梁纵桥向和横桥向相应的性能破坏模式, 并探讨了需要进一步研究的问题.     

阻尼支座对混凝土框架楼梯抗震性能影响的试验研究EI北大核心CSCD

为研究设置阻尼支座的混凝土框架楼梯结构的抗震性能,设计并制作缩尺比例为1∶2的阻尼支座楼梯试验模型,对其进行拟静力试验。试验研究了阻尼支座楼梯的破坏形态、滞回性能、变形能力等,分析了阻尼支座楼梯的工作机理,并与固定支座、滑动支座楼梯试验结果进行了对比。试验结果表明:阻尼支座楼梯通过阻尼支座的变形耗能保护梯段板,加载至破坏时,梯段板未发生明显的破坏,峰值荷载后承载力下降较慢,仍有较好的承载能力和变形能力,破坏主要发生在框架梁、梯梁,其延性优于固定支座楼梯,承载力和耗能能力高于滑动支座楼梯。     

核电厂隔震结构支座力学性能多因素耦合地震响应研究

针对隔震支座力学性能与水平变形及竖向荷载的耦合特性,对其进行水平、竖向力学性能相关性试验研究,并输入12条剪切波速不同的地震波,对比分析考虑耦合特性与非耦合特性对核电厂隔震结构在地震作用下动力响应的影响。结果表明理论耦合力学模型与试验结果一致;数值结果显示AP1000在地震作用下考虑耦合模型同一工况下的隔震层竖向刚度衰减大于水平刚度衰减;不同地震动因剪切波速的差异对核电隔震结构的响应有较大影响,对于剪切波速较小的软土场地,双向刚度衰减程度最为显著;考虑耦合效应模型上部结构的位移响应显著大于非耦合模型。在超设计基准地震下其位移响应和刚度衰减率都有突变趋势,表明考虑耦合效应模型的支座会进入屈曲破坏阶段,上部结构进入突变倒塌。因此对超设计基准地震下核电隔震结构响应不考虑支座力学性能的耦合将低估结构地震响应。     

多幅框架式曲线梁桥地震损伤分析

为了探索具有铰接构造的多幅框架式曲线梁桥地震损伤特性,通过OpenSees地震工程分析平台建立该类型桥梁的非线性动力模型,应用非线性时程分析研究该桥型的地震反应特征,探讨了结构整体布置和主梁转动惯量对该桥型框架整体振动过程及桥墩损伤程度的影响;同时建立橡胶支座的弹塑性剪切失效模型,探讨了桥台支座的破坏形式。研究结果表明:在地震荷载下,非对称的多幅框架式曲线梁桥各幅框架振动不一致;桥梁两侧较矮墩的墩顶和墩底的地震反应最大,容易产生钢筋屈服现象;桥台处的橡胶支座纵向变形较大,有发生剪切失效破坏的可能。桥墩的对称布置有利于各个框架间的整体振动;主梁转动惯量极大地影响较高墩横向地震损伤的程度。     

翻转动能对基础隔震剪力墙结构高宽比限值的影响分析

针对上部结构整体刚度较大的基础隔震剪力墙结构体系,通过将上部剪力墙结构简化为刚体得到能够考虑结构翻转动能的两自由度基础隔震简化模型,并以此为分析对象,建立体系振动微分方程。采用复模态方法进行解耦变换,分析结构平动及隔震层翻转角位移的频响特性。在此基础上提出了考虑上部结构翻转动能影响动力倾覆分析方法,并推导了高宽比限值的动力法计算公式。通过对比分析动力法及等效静力计算结果,得出以下结论:上部结构翻转动能对基础隔震高层剪力墙结构以支座不受拉为控制条件的高宽比限值的影响不容忽视;所提出的动力倾覆分析法较仅考虑平动动能的等效静力法更为准确,且更偏于安全;等效静力法相对于动力法计算结果的偏差随着地震烈度、隔震结构周期、场地卓越周期的增大而减小,随隔震层水平等效阻尼比的增大而增大;在其他设计条件不变的情况下,减轻上部结构质量、增大隔震支座总竖向刚度,对基础隔震剪力墙结构高宽比限值的提高是有利的;分析基础隔震剪力墙结构高宽比限值时,应当充分考虑场地条件、地震分组、结构周期、阻尼比等因素的影响。     

基于近断层地震LRB桥梁支座屈服力优化

在近断层地震作用下,LRB桥梁的响应较大,为了降低LRB支座相对位移过大给桥梁结构带来的不利影响,对LRB支座的屈服力进行了优化研究。选用了典型的近断层地震波,对具有不同力学特性和支座参数的LRB桥梁进行了考虑隔震支座非线性的地震时程分析。根据LRB桥梁的响应结果,提出了以桥面加速度、墩顶位移、支座相对位移和铅芯直径为变量的LRB桥梁的整体响应函数。通过研究发现,可以优化LRB的屈服力,使得桥梁的整体响应降低,且支座的最优屈服力与桥墩频率相关     

平板支座抗震性能的有限元研究

为了研究水平荷载下不同砂浆层厚度的平板支座节点的抗震性能及受力机理,该文利用有限元软件ABAQUS,模拟分析了8个砂浆层厚度为0 mm~50 mm的平板支座节点在单调和循环荷载下的破坏模式及承载力曲线,并将模型破坏模式及极限承载力计算值与试验结果进行对比,结果证明该模型可有效对平板支座的滞回性能进行计算分析。有限元计算结果表明,随着砂浆层厚度增加,支座节点极限承载力降低,支座锚栓由剪切变形变为弯曲变形;支座锚栓近似均匀受力;循环加载下平板支座的承载力相比于单调加载降低约30%。在有限元参数分析的基础上,综合考虑了支座锚栓的破坏机制及支座锚栓的变形对平板支座水平承载力的影响,总结平板支座的水平承载力主要由支座锚栓承担的剪力、支座锚栓轴力的水平分量及摩擦力组成,提出了平板支座节点水平承载力的计算公式。同时,在公式中引入折减系数0.7,考虑循环加载对平板支座节点水平承载力的降低。     

爆炸作用下曲线梁桥的倒塌模式

桥梁是交通工程中的重要枢纽结构和社会开放性公共设施,在运营过程中存在意外爆炸和恐怖袭击导致结构损坏甚至倒塌的风险,研究桥梁结构在遭受爆炸冲击后的倒塌模式显得尤为重要。利用流固耦合方法和三阶段方法数值模拟曲线梁桥在桥墩受到爆炸后的破坏效应和倒塌过程。结果表明:200 kg TNT炸药在曲线梁桥中间单柱墩底起爆后,墩柱被迅速逐层破坏,在重力作用下桥梁逐步倒塌,单柱墩是桥梁抗爆防爆设计的关键构件,应加强对墩柱的防护。连续刚构曲线梁桥的倒塌模式会表现出墩柱破坏、梁体下垂、支座处梁底破坏、梁端坠落和梁体在悬臂根部折断等破坏形态。桥台支座是曲线梁桥的重要支撑连接构件,支座或其附近区域破坏是主梁落梁的重要原因,建议在立交桥的抗爆设计中采取强连接约束措施以延缓或防止桥梁倒塌。     

板式橡胶支座摩擦滑移性能试验研究

为研究地震作用下板式橡胶支座的剪切变形及摩擦滑移特性,对7组无顶底钢板的板式橡胶支座进行了水平循环加载试验,考虑了不同竖向压应力、加载速度及橡胶材料等因素的影响,分析了不同加载阶段的板式橡胶支座变形及受力状态,并讨论了不同影响因素下水平等效刚度、能量耗散等抗震性能参数变化规律。试验结果表明:循环荷载作用下的板式橡胶支座工作状态可分为4个阶段,不同阶段下支座水平力及刚度的变化明显,第Ⅲ阶段中支座接触面处会因显著滑移而发生严重磨损,导致水平承载力及刚度发生下降,水平力下降可达30%,建议在桥梁抗震性能分析及评价时考虑支座翘曲及摩擦磨损导致的力学性能的下降;不同影响因素下,支座滑移后的力学性能会发生不同程度的变化,但其力-位移关系最终逐渐稳定,并表现出稳定的滞回特性,可将板式橡胶支座作为"保险丝式单元"设计。     

新型橡胶隔震支座临界行为理论模型研究

橡胶隔震支座在地震作用下同时受到巨大轴力与剪切变形,易发生稳定性问题进入临界状态,现行设计方法及计算理论不能准确计算临界力及临界位移,严重威胁隔震结构安全。提出计算橡胶支座临界行为新型理论模型,根据支座进入临界状态时受力规律,以两层竖向弹簧模拟支座转动性能,非线性水平弹簧模拟剪切性能,建立力学模型对支座临界行为进行分析。通过与试验结果进行对比,表明建立的理论模型能够准确模拟橡胶支座的临界行为,解决了现存分析模型中需要依靠试验校正系数以及误差过大的问题,为隔震结构设计提供有力工具。