弹性支承曲线梁在移动荷载作用下动力响应研究

为探究弹性类支座对桥梁结构振动机理的影响及进一步发展曲线梁的车致振动理论,提出一种将弹性支承曲线梁振动形式考虑为弯曲变形和刚体位移组合的方法,建立简化计算模型,利用Garlekin 法和积分变换法推导移动荷载作用下弹性支承曲线梁的动力响应解析解,并验证本文方法的正确性。通过数值算例分析弹性支承曲线梁在移动荷载作用下的振动机理,以及支座刚度、曲率半径等相关参数对弹性支承曲线梁动力响应的影响规律。研究表明：曲线梁的支座约束情况发生变化会对桥梁结构的动力特性和动力响应造成差异明显的非线性影响,其支座竖向刚度越小,桥梁动力响应越大,不可直接将其简化为刚性支承梁;小半径弹性支承曲线梁与直线梁相比,其曲率半径对桥梁动力响应的放大效应十分显著,同样不可忽略。     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

考虑桩-土相互作用的不等高墩桥地震响应分析

基于LS-DYNA有限元软件的二次开发功能,引入p-y桩土动力相互作用模型和钢材的BONORA损伤本构模型。以某大桥四跨引桥为研究对象,建立了包括考虑土-结构相互作用的WINKLER地基梁模型、有效桩长模型、全桩长模型,以及不考虑土-结构相互作用的无桩模型等四种桩基础分析模型和上部结构弹塑性损伤分析模型;通过场地自由场求解,在桩侧节点上施加相应位置的加速度时程,对基于四种桩基础模型的该大桥进行了自振特性以及在小震、中震和大震下的位移、加速度、内力、损伤分析,并探讨了WINKLER地基梁模型不同深度下桩-土p-y模型的应力-应变关系和桩身变形特性。结果表明,桩基础数值分析模型对结构整体响应影响显著,不等高墩桥顺桥向与横桥向响应差距大,所开发的p-y模型可用于桥梁结构精细化数值分析。     

基于非线性海床刚度模型的钢悬链线立管动力响应分析

基于P-y曲线模拟钢悬链线立管(SCR)-海床相互作用的力学行为,运用弹性地基梁模拟SCR流线段,研究海床刚度模型对SCR动力响应的影响。立管与海床的相互作用取决于土刚度、立管特性和沟槽的发展等诸多因素。现在的方法大多是将海床模拟为线性或非线性弹簧系统,而没有考虑土的塑性变形和吸力效应。运用P-y曲线模拟管-土相互作用过程,内容包括:①在浮体升沉运动和波浪载荷作用下,得到了管-土作用的荷载位移曲线、贯入深度和海床分布力的变化情况;②分析立管触地点的位移、弯矩、应力等动力响应特征,与线弹性海床模型进行了比较。研究表明,非线性海床土刚度模型较为准确地模拟了土的塑性变形和约束力对立管触地区动力响应的影响,弹性地基梁单元较好地模拟了立管的流线段,荷载位移曲线也体现了土吸力的产生和释放过程。     

近断层地震动下曲线梁桥碰撞效应研究

桥梁的地震碰撞会导致结构局部破坏,甚至造成落梁、倒塌等严重灾害,曲线梁桥的非规则性使得其碰撞效应与直梁桥显著不同。对一典型的三跨曲线梁桥建立多尺度有限元数值模拟模型,利用三维接触-摩擦模型结合显式动力接触算法模拟曲线梁桥上部主梁间的碰撞,研究了近断层地震动下碰撞效应对曲线梁桥地震反应的影响,并对地震动参数、碰撞刚度、伸缩缝间隙及曲率半径进行了详细的参数影响分析研究。研究结果表明:曲线梁桥地震响应受非均匀碰撞影响显著,碰撞限制了主梁相对位移;近断层脉冲地震较其他两类地震对曲线梁桥碰撞效应的影响更为显著,碰撞力最大值随着碰撞刚度和曲率半径的增加而增大,随着伸缩缝间隙的增大而减小,主梁相对位移响应则相反;外侧切向位移较大,落梁很有可能从曲线梁外侧发生。     

非线性桩-土作用对车桥耦合振动的影响研究

该文基于文克尔地基梁理论,利用修正的P-Y曲线法和荷载传递双曲线法,建立了桩-土非线性作用模型。采用了桩和土相对刚度来计算水平方向桩-土相互作用的初始刚度。通过Mohr-Coulomb法则得到土的极限抗力,并结合Matlock P-Y曲线法对极限抗力的表达式进行了修正,从而充分考虑了土的极限抗力的深度效应。编制了桩-土非线性梁单元有限元程序,建立了考虑非线性桩-土相互作用的车桥耦合模型。结合工程实例,分析了非线性桩-土相互作用的桥梁模型对车桥耦合响应的影响,并与墩底固结模型进行了对比。结果表明:在车桥耦合振动过程中,考虑非线性的桩-土相互作用,桥梁的横向位移幅值显著增大,竖向位移幅值增大,桥梁加速度幅值降低。此结果对处于软弱基础的高速铁路桥梁的分析和设计提供了参数和依据。     

考虑桩径效应的桥梁结构地震风险分析

桩-土-结构相互作用是桥梁结构地震反应分析的重要问题,其中桩径效应不应忽略。以一座三跨连续梁桥为例,研究桩径效应对桥梁地震风险的影响。具体建立三种有限元模型:模型一是同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应;模型二是考虑桩-土-结构相互作用,但没有考虑桩径效应;模型三是墩底固结的简化模型。通过增量动力分析方法计算桥梁结构的地震易损性曲线和地震风险曲线,对三种模型的计算结果进行对比分析。结果表明,同时考虑桩-土-结构相互作用和桩径效应的模型对应地震易损性与地震风险最高;墩底固结的模型对应地震易损性和地震风险最低。     

考虑水-结构-土相互作用下深水圆柱的地震响应分析

以水中圆柱体为模型,考虑水-结构-土的相互作用,研究柱体结构在地震和波浪共同作用下的动力响应。采用有限元法将柔性柱体结构离散为欧拉-伯努利梁单元,水-结构相互作用通过附加质量代替,土-结构相互作用通过线性弹簧代替。基于结构自振频率分析,讨论土-结构和水-结构相互作用对结构自振频率的影响。研究土-结构相互作用、地震动水力和波浪力对柱体结构动力响应的影响。     

高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

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。     

高架桥-地铁站-桩-土复杂结构体系地震反应分析EI北大核心CSCD

基于ANSYS对机场航站区高架桥与其下通过的地铁车站的交叉处结构进行了地震反应分析研究,建立了高架桥-地铁站-桩-土相互作用复杂结构体系的计算模型,同时与桥墩墩底简化为固定端模型单独来分析计算上部桥体以及取消地铁结构替换为承台和桩基础的整体模型进行了地震时程反应对比分析。结果表明:考虑相互作用后,整体结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异,不但体系的自振周期增大,并且前几阶主要振型也有很大改变;整体结构的最大位移增大,但顺桥向与横桥向增大幅度明显不同;而对于最大位移节点的加速度、桥梁支座及桥墩墩底反力,三者的顺桥向与横桥向的差别更加明显,其顺桥向比固定端模型减小,而横桥向出现增大的情况。这些现象表明:对复杂结构体系进行抗震设计分析时,考虑土-结构动力相互作用带来的影响十分必要。     

多向地震作用下土-框筒结构动力响应试验研究与数值模拟

为研究土—框筒结构动力相互作用体系在多向地震作用下的动力响应,对20层框筒结构的土—结构动力相互作用(SSI)模型和刚性基础(FB)模型分别进行了多向地震作用的振动台试验。通过试验数据的模态识别,分析了SSI和FB两种模型在不同工况下的固有频率、阻尼比和振型的差别。将不同烈度地震作用下SSI模型上部结构水平方向的峰值加速度、最大层间位移、最大层间位移角以及最大动应变进行对比,分析了单向水平和多向地震作用下SSI模型水平方向动力响应的差别;通过对比SSI和FB两种模型在多向地震作用下上部结构的竖向峰值加速度和层间位移,分析了土对结构竖直方向动力响应的影响;采用有限元软件ANSYS对试验模型和工况进行数值模拟,验证了试验结果的可靠性。研究成果可为框筒结构高层建筑的抗震性能研究提供参考。     

考虑土-结构动力相互作用的冷却塔地震响应分析

大型高耸钢筋混凝土冷却塔属于典型的风敏感型结构,近年来在地震、飞机撞击、爆破等极端外部作用下动力响应研究也得到了工程界的广泛关注。土-结构动力相互作用效应(Soil Structure Interaction,SSI)对于大坝、桥梁等类型工程结构地震响应的影响研究成果较为丰富,而对冷却塔结构体系的影响程度方面很少涉及。依据弹性波动理论结合有限单元法,建立和推导了考虑土-结构动力相互作用的三维黏弹性人工边界模型和公式,并通过半空间自由场模型验证该地震动输入方法的准确性。以国内实际工程项目——某火电厂大型冷却塔为研究背景,以通用有限元程序ANSYS为平台,分别建立了冷却塔刚性地基模型、无质量地基模型和黏弹性人工边界模型,开展模态分析及弹性时程分析,研究不同计算模型相应的动力特性及内力变化,探讨了土-结构动力相互作用的影响规律。研究结果表明:考虑刚性地基,冷却塔结构体系自振频率分布十分密集,绝大多数振型为环向谐波和子午向谐波组合的局部振型;考虑弹性地基后,结构的自振频率略有降低,整体振型较早出现。通过时程分析可知,采用黏弹性人工边界模型,考虑无限地基辐射阻尼效应,与刚性地基模型相比,塔筒的绝对加速度最大值降低43.4%,塔筒沿子午向弯矩轴力幅值降低约50%,而环向内力却均显著提高,X支柱内力幅值降低约20%~50%.因此,在进行冷却塔地震响应分析时,土-结构动力相互作用的影响不可忽视。     

桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的对比分析

地震时邻梁间的碰撞是引起桥梁局部损坏甚至落梁的主要原因。为合理分析桥梁的地震碰撞响应, 基于所开发的结构精细化模拟分析平台FENAP, 对比分析了桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的计算精度和适用条件。在FENAP平台上引入线性弹簧、Kelvin-Voigt、Hertz和Jan-Hertz-damp等四种接触单元模型, 建立了结构地震碰撞分析平台, 并通过数值验证以及对正弦波和地震动激励下的模型试验的数值分析, 对比分析了不同接触单元模型对结构碰撞响应的影响。研究表明:所建立的结构地震碰撞分析平台具有较高的计算精度和效率;在四种接触单元模型中, Kelvin-Voigt和Jan-Hertz-damp模型的计算精度和适用性更高, 而线性弹簧和Hertz模型, 由于未考虑碰撞过程中的能量损失, 仅适用于恢复系数较高的近似弹性碰撞情况。     

斜交简支梁桥纵向地震碰撞反应精细化研究

为精细化分析简支斜交桥地震碰撞反应,首先基于Hertzdamp碰撞理论,采用开放式地震模拟软件OpenSees建立能够考虑碰撞过程中摩擦作用的简支斜交桥精细化计算模型;然后从动力特性、动力反应层面验证模型的可靠性;最后采用三维精细化计算模型分析斜度、摩擦对斜交简支梁桥纵向地震碰撞反应的影响。结果表明：梁体与桥台间最大碰撞力的产生位置随着斜度的变化而改变;最大碰撞力的大小不仅与斜度有关,而且与斜交桥梁端与桥台间摩擦系数也存在一定关系;摩擦作用削弱了斜度对梁端锐角处纵向最大位移的影响,大幅度减少上部结构峰值转角,使峰值转角最大值滞后在较大斜度时出现;不考虑摩擦作用会高估锐角处梁端纵向最大位移反应。     

SH波作用下桩-液化土-结构体系的水平振动特性

将桩等效为Timoshenko梁,上部结构等效为单自由度弹簧质量块,基于桩-土相互作用的Winkler模型,研究了在垂直入射简谐SH波作用下桩-液化土-上部结构耦合体系的水平振动特性。考虑土体的自由场位移、上部结构的平动和转动惯性以及和桩轴向压力的二阶效应,建立了单桩-液化土-上部结构耦合体系的边值问题,得到桩变形和上部结构运动的解析解。数值分析了几何和物理等参数对桩头和上部结构位移放大因子和动力放大因子的影响,结果表明:单桩-液化土-上部结构体系存在明显的共振现象,且土体自由场位移对桩头和上部结构的位移放大因子影响显著;随着上部结构刚度的增加,桩-液化土-上部结构体系的基频增大,位移放大因子峰值减小;随着土体液化的发展,单桩-液化土-上部结构系统基频和动力放大因子逐渐减小。     

土-建筑群动力相互作用的数值模拟

针对土与建筑群的动力相互作用问题,该文建立了土与结构动力相互作用研究的被研究块体模型,给出一种处理建筑群与地基动力相互作用研究的波动数值方法。该方法便于研究城市中建筑群的地震响应。数值模拟结果表明:城市中建筑群的存在会使地震地面运动响应出现长尾波现象,竖向地震作用对结构的水平地震响应影响很大。     

桩柱式桥台土-结构相互作用抗震性能研究

为研究桩柱式桥台在地震过程中的结构响应规律。分析了现有研究的不足;以某立交G匝道曲线梁桥的桥台为工程背景,开展了基于实体的地震反应研究,并对地震过程中桥台背墙自底部向上各位置的位移时程曲线进行监测。在此基础上,对桥台高度、土体剪胀角度、土体与桥台接触条件三个因素对桥台地震响应的影响开展了研究。研究发现:随着桥台高度的增加,台背最大位移的放大系数逐渐变大;在该研究范围内,土体剪胀角对桥台地震位移响应影响不大;当不考虑桥台与土体分离效应时桥台顶部地震响应比考虑桥台与土体分离时的地震响应小,建议在进行桥台抗震设计中应准确模拟土体与桥台的接触界面状态。研究成果可为桥台结构的地震响应研究提供参考依据。     

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。     

锚栓限位与邻梁碰撞对曲线桥梁抗震性能的影响

曲线桥梁在地震作用下梁体之间会发生非均匀碰撞,可能造成前梁落梁或后梁局部破坏现象;而在纵向设置抗震锚栓可有效防止落梁,也可对相邻梁的碰撞起到一定缓解作用;但目前国内外还缺乏锚栓对曲线桥梁的抗震性能影响的相关研究。以某四跨曲线桥为背景工程,建立了空间有限元模型,并分别用滞后系统、钩单元、接触单元模拟了支座损伤、锚栓约束、相邻梁纵向碰撞等物理现象,利用非线性时程分析法,进行了三种工况((1)无锚栓、不计碰撞,(2)无锚栓、计碰撞,(3)有锚栓、计碰撞)曲线桥梁的墩梁相对位移、墩底内力、相邻梁碰撞力等关键地震响应对比研究。研究表明:相邻梁的非均匀碰撞是曲线桥梁必须考虑的关键因素;而设置抗震锚栓能缓解曲线桥梁的碰撞效应,并减轻震害。