深水桥墩地震响应研究现状与展望

分析了地震激励下水-深水桥墩动力相互作用, 总结了动水压力作用机理、地震动水压力的计算方法和水-结构动力相互作用分析方法, 研究了深水桥墩地震响应特征和影响因素以及水下振动台试验进展, 并对比了各国规范中动水压力计算方法。研究结果表明: 动水压力降低桥墩自振频率, 增大桥墩地震响应, 其影响在桥梁的抗震设计中不可忽略; 现有研究采用的桥墩形式较为简化和单一, 建议开展更多以桥墩体系、桥梁体系为对象的深水桥梁地震响应研究; 对于地震作用下动水压力计算, 目前各国规范多基于Morison方程, 但对其适用范围尚不明确, 应深入研究Morison方程的适用范围、修正方法与准确便捷的地震动水压力计算方法; 目前水下振动台试验大多集中在动水压力对桥梁下部墩桩地震响应的影响上, 响应大多在弹性范围内, 应进一步研究在大震作用下深水桥墩的非线性响应与破坏模式; 目前针对深水桥墩在地震和波浪联合作用下的动力响应研究较少, 应深入研究在地震、波浪、海流联合作用下深水桥墩与水的相互作用机理; 目前缺乏对全桥结构的地震响应研究, 应开展深水桥梁全桥分析与多子台水下振动台试验。      

高墩深水大跨度连续刚构桥非一致地震响应分析

讨论了高墩深水大跨度连续刚构桥的地震响应分析。提出一种适用于计算深水桥墩的地震动水压力公式,在有限元模型中采用附加质量的方法计入该作用,并考虑非一致激励和桩土耦合对桥梁结构的作用,并对不考虑动水压力和考虑动水压力工况进行比较。分析表明,考虑动水压力时的地震反应内力和位移比不考虑动水压力时的地震反应内力和位移大。分析结果可以为连续刚构桥的抗震设计提供参考。     

宏基大桥深水高墩大跨连续刚构桥地震响应分析

已有研究表明,深水高桥墩在地震作用下,由于桥墩与水的相对运动,水会对桥墩水下部分产生动水压力．以深水库区主跨为220m,墩高为173m的宏基大桥为例,利用Morison方程所得的圆形墩附加质量公式的矩形修正公式模拟水对桥墩的作用,建立了该桥考虑附加质量影响的变截面三维有限元模型,进行该桥的反应谱和时程反应分析．结果表明由于动水压力的作用,不仅使桥梁结构的自振频率明显降低,而且使梁体和桥墩的位移和内力显著增大．本文研究方法与所得结论可为同类桥梁的抗震设计提供参考．     

动水压力对连续刚构桥梁地震响应的影响

为了研究地震作用下深水薄壁空心桥墩内外域水体动水压力对连续刚构桥梁动力响应的影响,应用流固耦合有限元理论,考虑重力、纵向预应力和动水压力,建立了庙子坪岷江大桥连续刚构桥梁的计算模型,并采用实测的地震波进行计算.结果表明:动水压力对连续刚构桥梁自振频率和振型的影响不大,前30阶频率降低率最大值约为8％,箱梁各部分横向位移峰值增量在10％～20％之间,主墩内力峰值增量最大值约170％,箱梁内力峰值增量最大值约75％;地震加速度、桥墩入水深度是影响动水压力的重要因素.     

考虑动水压力作用的深水桥墩地震响应分析

采用附加质量的形式考虑动水压力对桥墩的影响,以ANSYS有限元软件为计算平台,建立单墩模型并进行深水桥墩地震响应分析。得出动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩墩顶位移和墩底内力,并且动水压力作用还与结构本身质量和周期有关等结论。通过对连续梁桥和连续刚构桥的分析,验证了动水压力作用与结构固有周期有关,随着固有周期的增大,动水压力对结构的影响越小。     

流固耦合作用对深水空心桥墩的自振特性影响研究

根据势流体理论的完全数值法,利用有限元软件ADINA创建了经典的深水圆形空心高墩—水流固耦合数值分析模型,分析考虑桥墩壁厚不同时,内域水、外域水及内外域均有水时不同水位下动水效应对桥墩自振频率的影响规律。研究结果表明:墩-水耦合效应使得桥墩的自振频率均减小,且墩内外域均有水时减小率最大;桥墩壁厚越薄动水效应对桥墩自振频率的影响越大;上部结构质量会减弱墩—水耦合作用对桥墩结构相应频率的影响;当桥墩的入水深度等于桥墩高度的1/2时,桥墩第一阶自振频率减小率很小,但其第三阶自振频率减小率较大。研究成果对于深水桥梁的抗震设计具有借鉴意义。     

考虑流固耦合的深水桥梁地震响应分析

以深水桥梁为研究对象,采用Morison方程和辐射波浪理论考虑动水压力对深水桥墩进行地震响应分析,得出动水压力增大了桥墩结构的动力响应,并且采用辐射波浪理论计算的桥墩地震响应值大于采用Morison方程的计算结果。以空心桥墩为研究对象,采用FSI流固耦合对不同壁厚的空心桥墩进行地震响应分析,得出随着壁厚的增大,动水压力对桥墩地震响应的影响逐渐减小。     

公路桥梁抗震设计方法及实例分析

基于公路桥梁抗震设计要点及常用抗震设计方法,以某连续刚构桥为依托,通过数值计算对桥梁结构自振特性、不同等级地震作用下的桥梁结构响应进行了分析,阐述了桥梁抗震设计方法的应用过程。研究表明:该桥在E1及E2地震动作用下,主结构均处于弹性工作状态,主结构强度满足抗震设计需求;矮墩受力更为不利,针对类似桥梁,需要更为关注矮墩的抗震性能;该桥在E2地震作用下,主梁的位移略大于伸缩缝的最大伸缩量,建议进一步优化伸缩缝选型。     

地震作用下动水压力对深水桥墩的影响

采用Morison方程、Westergarrd方程、流固耦合分析动水压力对桥墩的影响。研究发现:随着水深的增加地震响应会增大;流固耦合理论计算得到的结果小于附加质量法得到的结果;当相对水深较小时,Morison方程计算结果偏于保守,相对水深增大,Westergarrd方程计算结果更加保守,且随着水深增大,响应增大较快;水深对墩底弯矩的影响小于对墩底剪力的影响。     

横向陡坡地形对桥梁地震响应的影响

以某公路桥梁为工程背景,以其有限元模型为基准模型,对横向陡坡地形下和常规地形下双柱墩梁桥的地震反应进行对比分析。结果表明:横向桥墩刚度差异会放大桥梁的最大加速度,对桥墩的抗震不利;基准模型的高墩的最大位移大于低墩,高低墩纵向位移不一致导致盖梁的扭转,对盖梁受力不利;横向桥墩刚度差异将导致主梁内力增大和矮墩的剪力大于高墩等不利影响。     

车下弹性吊挂设备悬挂刚度选取方法

以车体低阶弹性振动、刚体振动和设备有源振动为输入, 提出了一种能够快速、简便确定弹性设备悬挂刚度的方法;在充分考虑吊挂设备各个方向上可能出现耦合振动、设备安装间隙、允许最大振动位移等因素的前提下, 推导了任意悬挂方式吊挂设备的刚体振动频率计算公式;给出了车下弹性吊挂设备悬挂刚度的选取方法与分析流程;以某动车组为例, 建立了车体与动力包的耦合振动分析模型, 计算得到了动力包的点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率和三向悬挂刚度的取值范围, 并对比了动力包悬挂刚度理论计算结果与有限元结果。研究结果表明:在已知车体或吊挂设备基本参数的前提下, 采用提出的方法无需通过复杂的动力学建模分析即可计算出其点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率, 与有限元计算结果相比, 刚体振动频率的最大相对误差为6.88%;计算所得动力包刚体振动频率与车体对应振动频率的比值均有效避开了耦合区间[0.750, 1.414], 因此, 采用提出的方法可快速、准确地确定吊挂设备的刚度范围, 从而避免设备与车体之间的共振。      

铁路钢管混凝土系杆拱桥动力特性及地震响应分析

以某铁路钢管混凝土系杆拱桥为研究对象,运用有限元分析软件ANSYS建立了其空间杆系有限元 模型,其中拱肋与系梁采用空间梁单元模拟,吊杆采用空间杆单元模拟,对其动力特性进行了分析;在此基础上运用时程分析方法分别计算了该桥在竖向和纵向地震力组合以及竖向和横向地震力组合两种工况下的地震响应,得到了主拱控制截面在两种荷载工况下的最大内力和最大位移响应,对其抗震性能进行了分析评价.结果表明：该铁路系杆拱桥动力特性总体体现为刚性拱桥的动力特征,横桥向刚度相对较弱,竖向地震力作用下的响应较大,应引起设计注意.研究可为同类型的铁路刚性拱桥抗震设计提供理论依据.     

曲线桥在地震作用下的面内转动机理分析

曲线桥梁在水平地震作用下,上部结构在两个主方向上的地震反应会产生耦合现象,该现象主要为梁端的横向位移和桥面板的面内转动;通过对简化的单跨曲线桥模型进行弹性时程分析,研究曲线桥在弦线方向的地震输入下的转动机理,并比较不同曲率半径下曲线桥的地震反应;讨论主梁-桥台相互作用对桥面板转动的影响,应用非线性时程分析计算不同曲率的...     

基于弹性防偏-塑性卸载机理的梁体横向限位设备

为了缓解桥梁梁体在各类因素下的横向偏移或倾覆问题,同时改良现有防偏移设备的刚性阻拦缺陷,以机械设备的减震隔震装置为借鉴,设计了一种基于弹性防偏-塑性卸载理念的梁体横向限位设备. 该设备根据折减后的桥墩墩底抗弯强度及梁体横向最大容许位移选择弹簧参数（用于正常情况下的弹性防偏）,由折减后的支反力计算薄弱层锚固螺栓的个数（用于大荷载下的卸载保墩）.以陕西某曲线连续梁桥为例,以未安装设备桥梁模型为基准,通过有限元分析软件Midas Civil模拟无设备桥梁及有设备后的桥梁在静、动力作用下的位移增量及应力增量. 数据对比显示:该设备在限制各静力作用下的径向爬移效果显著（平均位移限制率达70%以上,主要位移诱因的限制率达80%以上）;在El Centro Site波大部分时程内,有设备梁体的位移增量和应力增量值较无设备梁体的小,且安装设备后峰值位移（降低率均在90%以上）及峰值应力（平均降低率达50%左右）得到明显降低,这说明该设备可在避免应力集中的情况下,有效减小梁体的动力位移增量,具有良好的抗震/防偏移效果.      

考虑桩土相互作用的车-轨-桥系统地震响应分析

弄清桩土相互作用对车桥系统地震响应的影响对于研究地震引起的高速铁路桥上列车行车安全问题十分必要. 基于列车-轨道-桥梁耦合振动理论,采用Winkler地基梁模拟群桩基础并通过m法计算弹簧参数,建立了地震作用下的列车-轨道-桥梁-群桩耦合振动模型,并编制了仿真分析程序. 以某（88 + 168 + 88）m预应力混凝土连续刚构桥为例,分别建立了考虑桩土相互作用的群桩基础模型以及作为对比的刚性基础模型和弹性基础模型,通过输入3条典型地震波,计算对比了3种模型的耦合振动响应,研究了桩土相互作用的影响. 结果表明:地震作用下桩土相互作用对桥梁、轨道和列车子系统动力响应的影响横向大于竖向,且对桥梁、轨道子系统动力响应的影响大于列车子系统;对于本文的计算条件,不考虑桩土相互作用会使桥梁、轨道和列车子系统的动力响应偏小,其中列车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力平均值分别偏小5.8%、8.6%和9.0%;桩土相互作用对列车行车安全性指标的影响不会随车速的变化而变化. 本文的研究成果可为震区高速铁路桥梁的抗震设计提供参考.      

Nataf变换的桥梁系统多维地震易损性分析方法

在多维性能极限状态理论框架下,考虑桥梁各构件地震响应参数相关性,引入Nataf变换,提出了改进的桥梁系统多维地震易损性分析方法;以一座三跨V撑连续梁桥为例,利用OpenSees软件建立桥梁系统非线性动力分析模型,从美国太平洋地震研究中心强震数据库中选取20条地震波进行增量动力分析,并获得桥梁结构在地震作用下的最大响应样...