基于精细积分法的结构碰撞反应谱研究

碰撞是导致结构地震破坏的重要原因之一,其与两碰撞结构的动力性能和地震作用密切相关,应给出与两个结构动力参数相关的反应谱,以指导结构考虑碰撞的抗震设计。本文给出相邻结构碰撞加速度反应谱定义,推导了精细积分法碰撞计算公式,进行了该反应谱曲面的分析和探讨。结果表明,精细积分法适用于结构碰撞问题的计算,可得到高精度的解,无条件稳定且可提高计算效率。碰撞会加大结构的加速度响应;动力特性相同的两相邻结构产生的响应有差异;增大阻尼比和相邻结构阻尼比差别、以及设置足够大的初始间隙,可有效降低结构的碰撞响应。     

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。     

地震作用下桥梁结构横向碰撞模型及参数分析

针对桥梁结构在地震作用下梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性时程积分法,研究了横向地震作用下梁体与挡块间的碰撞效应。通过对刚体碰撞模型分析,推导出阻尼常数与恢复系数间的关系表达式,在此基础上建立了能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞模型,并对碰撞刚度、初始间隙、恢复系数以及桥梁跨径等参数进行了影响分析。分析结果表明:最大撞击力随碰撞刚度和桥梁跨径的增大而增大,但随初始间隙的变化规律不明显;恢复系数对碰撞效应影响很大,忽略碰撞过程中的能量损失会高估碰撞反应。为减轻梁体与横向挡块间的碰撞效应,提出了挡块刚度的合理取值。     

脉冲型地震作用下独塔自锚式悬索桥碰撞响应试验研究

为了研究脉冲型地震作用下考虑碰撞效应时自锚式悬索桥的地震响应,以某独塔自锚式悬索桥为原型,设计制作了缩尺比为1∶20的试验模型,并选取三条具有不同脉冲周期的近断层脉冲型地震波,利用多子台地震模拟振动台台阵系统,进行了一致激励及行波激励下的对比试验。结果表明:一致激励下梁端碰撞效应会显著增加边墩墩底变形,但会不同程度降低支座的位移响应,且碰撞效应随碰撞间隙的增加先增强后减弱;行波激励会加剧梁端碰撞作用,使碰撞效应对边墩墩底变形和主塔塔底变形的放大作用更显著;脉冲型地震动的脉冲周期与悬索桥基本周期越接近,碰撞效应越强,对边墩墩底变形及主塔塔底变形的放大效应越显著,但对支座位移降低程度的影响不明显;因此,对自锚式悬索桥进行抗震或减震设计时应当考虑碰撞效应、行波效应及地震动脉冲特性的影响。研究成果可为桥梁结构的碰撞响应研究提供参考。     

多维地震激励下人字形桥梁地震模拟振动台试验研究

为研究人字形桥梁在地震作用下的动力响应,以某人字形桥梁为原型,制作了一座相似比为1/20的模型桥梁,采用El-centro波对其进行了不同地震烈度的多维激励地震模拟振动台试验和有限元分析。研究结果表明：随着地震烈度的增加,模型结构自振频率降低阻尼比增大;桥墩墩顶顺桥向加速度响应基本不受竖向地震分量影响;计算桥墩墩底应变响应时进行水平双向地震激励即可满足要求;梁体跨中竖向加速度响应,主梁和分支梁间的伸缩缝宽度取值,伸缩缝处的碰撞响应等均与地震波输入维度有关。因此,对于人字形桥梁在进行抗震设计时应针对不同的设计目的对其进行选择性的多维地震激励。     

高铁简支梁桥横向地震碰撞效应振动台试验研究

地震作用下,当桥梁上、下部结构间的横向相对位移超过挡块-梁体或挡块-垫石间的初始间隙时,就会发生碰撞。为研究高铁简支梁桥在地震激励下的横向碰撞效应,以32 m标准跨径简支梁桥为研究对象,按1∶6缩尺比设计并制作了单跨桥梁模型。通过振动台试验研究了地震波频谱特性、地震动峰值加速度(PGA)、挡块-垫石初始间隙等因素对横向地震碰撞效应的影响,并探讨了在挡块与垫石间填充橡胶缓冲垫层的防碰减震效果及橡胶垫层的减震机理。试验结果表明:振动台试验再现了桥梁结构横向地震碰撞过程,在多遇地震作用下,固定支座未发生破坏,挡块与垫石之间没有出现碰撞现象;而在设计地震和罕遇地震激励下,固定支座出现破坏,多数工况发生了碰撞。挡块与垫石之间的碰撞限制了墩梁间横向相对位移的发展,但碰撞会激起结构的高频响应,增大墩底弯矩响应;橡胶缓冲垫层的设置会减小挡块与垫石间的碰撞刚度,降低由地震碰撞所引起的高频响应,从而达到减震的效果。     

基于精细积分法的结构碰撞动力系数谱研究

将精细积分法引入结构碰撞问题研究中,并借鉴已有反应谱定义提出结构碰撞加速度动力系数谱的概念,采用精细积分法对相邻结构进行了Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地下碰撞加速度动力系数谱研究。结果表明,精细积分法用于结构的碰撞分析,计算精度和效率较高,对求解结构碰撞问题是适用的;不同场地类型的地震动输入下,结构的碰撞响应有差异,总体上Ⅱ类场地结构碰撞力响应最大;结构碰撞力对初始间隙大小并不敏感,阻尼比的增加使结构的碰撞力响应降低。     

斜交简支梁桥地震碰撞反应参数分析

为研究斜交简支梁桥地震碰撞反应,采用开放式地震模拟软件Open Sees,建立能够考虑梁体与桥台间纵向碰撞、摩擦作用及梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥精细化动力计算模型,分析水平地震动输入方向、竖向地震动和斜度等对斜交简支梁桥地震碰撞反应的影响规律。结果表明:忽略横向碰撞时,斜度为α的简支梁桥梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角在水平地震动以角度θ=90°-α输入时达到极小值;考虑横向碰撞后,由于挡块的有效限位作用,梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角会减小,竖向地震动对地震碰撞反应的数值有一定影响,但对其随斜度的变化规律没有明显影响,钝角处支座上拔力随斜度增大而增大,锐角处支座上拔力随斜度增大而减小,且支座上拔力由钝角处向锐角处逐渐减小,考虑水平地震动输入方向影响时,梁端纵向最大位移随斜度增大而增大,上部结构峰值转角、梁端纵向最大碰撞力随斜度增大呈先增大后减小的变化规律,梁体与挡块间横向最大碰撞力随斜度的增大总体变化不大。     

大跨度悬索桥主引桥碰撞效应振动台试验及数值研究

为了研究大跨多塔连跨悬桥与引桥间的碰撞效应,以泰州长江公路大桥为背景,设计并制作1/40缩尺比例模型,进行了全桥振动台模型试验。主桥采用中塔与主梁间无连接的纵向约束结构体系,边跨梁每幅采用2个固定支座和4个聚四氟乙烯滑板支座,初始伸缩缝间隙为3 mm,试验分别测试了3条地震波下主引桥间的碰撞响应。振动台试验表明,主桥与引桥相互靠近运动时,主引桥间的碰撞会减小引桥梁位移及固定墩内力的需求;当主桥追逐引桥运动时,主引桥间的碰撞会增大引桥梁位移及内力的需求。数值模拟结果表明:采用SAP2000商业软件组合Kelvin单元,接触刚度取引桥梁轴向刚度的0.2倍时,能较好的模拟试验结果;接触刚度取值可为相似桥梁碰撞效应模拟提供试验参考。     

地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响

在等墩高的多跨连续梁桥中,虽然相邻联的基本振动周期完全相同,地震动的行波效应可能导致伸缩缝处相邻梁体间发生碰撞。采用接触单元模拟伸缩缝处相邻梁体间的碰撞,采用阻尼器来反映碰撞过程中的能量损失,应用非线性时程方法研究了地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响。研究结果表明:地震动的行波效应在伸缩缝处相邻梁体间引起较大的相对位移,导致相邻梁体间发生碰撞,碰撞力的大小随表面视波速不同而不同。行波效应引起的伸缩缝处相邻梁体间碰撞,可能增大伸缩缝处相邻梁体间以及墩梁间相对位移,甚至造成上部结构在地震中发生落梁破坏,在连续梁桥的抗震设计与评估中,应该引起足够的重视。     

浅源强震下RC梁式桥横向碰撞参数研究

针对地震作用下桥梁结构梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性动力分析方法对影响碰撞效应的主要因素进行了系统研究。基于刚体碰撞理论,建立能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞接触单元分析模型,研究了典型的浅源强震作用下挡块碰撞刚度、梁体与挡块间初始间隙、桥梁墩高以及跨径等因素对铁路RC简支梁桥地震碰撞效应的影响。研究表明抗震挡块对于防止横向落梁有显著的抑制作用,建议了铁路RC梁式桥抗震挡块的合理刚度及初始间隙取值,提炼了墩高及跨径对各项响应指标的影响规律。研究成果可供梁式桥抗震设计及规范修编参考     

近断层地震下小半径曲线桥碰撞响应的振动台试验研究

为揭示小半径曲线桥相邻联碰撞导致的地震破坏机理,以某两联多跨小半径曲线桥为工程背景,开展振动台试验研究。分析在不同地震动下相邻联周期比变化对曲线桥梁端位移、墩梁相对位移、碰撞力等的影响规律;在近断层地震下,分析受独柱墩横桥向偏心效应影响时,邻梁碰撞对结构动力响应的变化规律。试验研究表明:近断层脉冲地震下,随着周期比的增大邻梁碰撞效应先增加后减小,在近断层非脉冲地震动及远场地震动下,随邻梁周期比减小地震碰撞响应逐渐增大;独柱墩在梁底的横向偏心会加剧地震作用下主梁运动形式的变化,导致扭转加大,横向位移明显,更易发生非均匀碰撞,加剧主梁的局部损坏。该文研究成果可为考虑碰撞的曲线桥抗震设计提供科学依据。     

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。     

考虑混凝土损伤的隔震连续梁桥碰撞响应分析

针对隔震连续梁桥纵桥向主梁与桥台碰撞问题,以一联三跨混凝土隔震连续梁桥作为算例,采用ABAQUS建立了考虑混凝土材料损伤及三维接触碰撞的有限元模型。在此基础上,应用显式积分算法分析了纵桥向地震作用下隔震连续梁桥的碰撞响应,探究了伸缩缝间隙以及支座屈服位移对碰撞响应的影响。研究结果表明:采用三维有限元模型计算得到的碰撞持时与应力波理论得到的结果吻合较好;随着碰撞的发生,混凝土材料损伤积累,碰撞持时有增加的趋势。增大伸缩缝间隙将减小碰撞次数的发生,但对最大碰撞力的影响趋势不明显;随着支座屈服位移的增加,碰撞次数显著减小,但最大碰撞力变化不大。     

考虑纵坡影响的曲线梁桥地震碰撞响应试验研究

地震作用下,碰撞会显著影响桥梁的地震响应规律。现阶段碰撞效应对桥梁地震响应影响规律尚不明晰,碰撞效应参数影响分析尚不全面,特别是考虑纵坡影响的桥梁碰撞响应分析尚处空白。以某小半径带坡曲线桥为对象,设计并制作其1/10缩尺模型,设计了可调式碰撞测试装置,通过调整碰撞间隙大小,分别对发生碰撞前后的模型桥进行了振动台试验,重点探究了碰撞对有纵坡曲线梁桥主梁、桥墩地震响应的影响。结果表明:碰撞会导致曲线桥主梁的旋转效应增大,并引发梁端较大的水平加速度响应脉冲;纵坡会造成低墩处的碰撞力大于高墩处的碰撞力,并引起主梁显著的竖向动力响应;此外,碰撞会放大桥墩墩顶位移响应,增加曲线桥桥墩在地震中的破坏风险。     

地震作用下钢框架落层倒塌效应模拟分析

为了研究地震作用下钢框架结构的落层倒塌效应,根据相关文献提供的9层钢框架模型,利用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA分析其在地震作用下的结构响应,同时模拟相关文献中的振动台结构倒塌试验,分析结果同文献对比较为吻合,验证了模型的合理性。对该钢框架在强震作用下的倒塌效应进行仿真,分析表明强震作用下首先由于结构中部薄弱层层间位移角发展达到1/10并持续增大,发生落层倒塌,上部楼层碰撞作用于下部楼层,使下部相邻楼层柱轴力突增,加剧该层P-Δ效应,导致下层倒塌;此外第1层层间位移角亦发展达到1/10并持续增大,继而导致钢框架整体发生连续倒塌破坏。分析了落层倒塌碰撞作用下,薄弱层相邻下层柱总轴力变化规律,其动力放大系数可能大于规范取值。加强薄弱层抗侧刚度可有效防止钢框架发生倒塌破坏;合理设计的钢框架结构当薄弱层层间位移角超过规范限值但未出现持续增大现象时,不出现倒塌破坏。     

地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。     

间隙铰链对平面机构碰撞动力学特性影响分析

为了研究间隙铰链对机构动态性能的影响,建立了一种含轴向尺寸的线接触碰撞铰模型,在此基础上提出一种改进的非线性法向碰撞力模型和修正的切向库伦摩擦力模型,以平面含间隙铰链曲柄滑块机构为研究对象,通过不同间隙值下的滑块加速度、间隙铰链处接触力、加速度频谱以及速度-加速度相图分析,研究了间隙值对机构碰撞动力学特性的影响规律。研究结果表明:间隙会导致机构动态性能出现明显的振荡现象,且随着间隙值的增大,振荡加剧、振荡幅值上升,但振荡频率降低;同时,在间隙铰链的影响下,机构动态特性呈现出非线性现象,且间隙越大,非线性现象越明显。     

连接Maxwell模型的两相邻结构非线性地震反应分析

对连接Maxwell模型的两相邻高层钢筋混凝土结构进行了大震作用下的非线性地震反应分析,相邻结构的本构模型采用三线型刚度退化模型,推导了连接Maxwell型阻尼器的相邻结构的运动方程,研究了Maxwell阻尼器优化参数理论表达式在结构进入非线性阶段的适用性,并研究了碰撞对相邻结构地震响应的影响,提出了不同地震波激励下阻尼器的优化参数值。分析结果表明:相邻结构进入非线性阶段时需要连接具有更强阻尼耗能能力的阻尼器以控制两结构的地震响应;即便在较小的防震缝宽度下,连接了控制装置后的相邻结构在大震作用下发生碰撞的可能性亦较小。     

两类船-桥碰撞力差异及桥梁结构响应分析

 船桥碰撞是跨航道桥梁需考虑的重要问题。本文以美国AAHSTO规范推荐两类船舶为例,研究了驳船和散装货轮撞击桥梁后碰撞力、船艏刚度和碰撞能量的变化过程,讨论了导致两类船舶碰撞力、船艏刚度和碰撞能量变化差异的原因,分析了两类船桥碰撞桥梁结构的主要响应,并将本文动力模型计算响应与已有规范计算得到响应进行了对比。结果表明,两类船舶不同的船艏外形及内部构造会对碰撞力造成较大影响;同等吨位和碰撞速度下,驳船碰撞峰值荷载比散装货轮大,驳船碰撞的墩顶位移比散装货轮小,基底剪力和弯矩比散装货轮大,驳船与散装货轮作用下桥梁结构响应的动力反应系数存在较大差异;不同规范对于碰撞荷载规定差异较大,欧洲规范计算得到响应总体较大,中国公路规范荷载对于内河船舶撞击计算得到的响应最小,中国铁路规范计算得到的响应与其他规范海轮撞击响应进行对比最小。