侧向撞击荷载下桥墩动力响应有限元分析

进行了侧向撞击荷载下钢筋混凝土桥墩试件动力性能的试验研究。在试验研究基础上建立了可靠的有限元模型,根据该模型探讨了单次撞击荷载下桥墩的动力响应,对比分析了单次与累次撞击荷载下桥墩的动力响应。研究证明:相同撞击速度下单次与累次撞击相比:平均撞击力较大,撞击作用时间较短;跨中截面峰值应变与平均应变均较小。研究结果为桥墩耐撞性设计提供了依据。     

考虑剪切效应的混凝土桥墩撞击动态力学特性研究

为研究桥墩撞击剪切动力响应问题,基于Hamilton原理,将剪切变形引入碰撞体系偏微分方程中,考虑材料的动态力学性能,通过Laplace变换和Matlab软件求解,建立了考虑剪切效应的钢筋混凝土和钢骨混凝土桥墩动态剪力方程和动态弯矩方程,揭示了桥墩撞击动力响应受剪切效应影响的力学特征。理论计算和试验结果对比表明:剪切变形对桥墩试件峰值弯矩和峰值主拉应力的平均影响分别为8.82%和18.83%,剪切效应对桥墩撞击动力响应的影响较大,不可忽略。在桥墩抗撞强度设计中,不仅需要验算桥墩最大弯矩截面的拉应力,还应验算墩底的主拉应力,以体现剪切效应对桥墩撞击剪切破坏的影响,保证桥墩结构的安全。     

节段拼装桥墩撞击试验研究与数值分析

为研究采用节段拼装桥墩与整体现浇桥墩在抗撞击性能方面的差异，探究撞击作用下节段拼装桥墩的撞击响应和破坏模式。采用缩比模型，通过水平撞击试验获得节段拼装桥墩和整体现浇桥墩的动力时程响应曲线，观测不同构造形式桥墩在不同撞击速度下的破坏模式，并对比分析桥墩在撞击荷载作用下的撞击力、位移等动力时程响应；采用非线性有限元模型，对桥墩撞击响应和破坏过程进行仿真模拟，并通过与试验结果进行对比，验证其有限元结果的可靠性；通过参数分析探明了撞击高度、预应力值对拼装式桥墩动力响应的影响规律。研究结果表明：在撞击荷载作用下，整体现浇桥墩主要发生了由受拉弯曲破坏转变为墩底斜向剪切破坏的弯剪破坏，节段拼装桥墩主要发生受撞节段剪切滑移和加载区混凝土压溃；与整体现浇桥墩相比，在撞击作用下节段拼装桥墩撞击力峰值降低21.25%，撞击持续时间相应增加147.62%，同时节段拼装桥墩展现出更强的变形能力和能量耗散能力，但未能展现出良好的自复位能力，增加混凝土局部损伤；有限元模拟与试验结果吻合良好，验证了有限元模型的正确性；基于节段拼装桥墩有限元模型，分析得到撞击高度和预应力值对桥墩撞击力的影响较小，但撞击高度对桥墩变形影响较大，预应力值对桥墩整体刚度也有较大影响；因此，在节段拼装式桥墩抗撞设计时应综合考虑撞击高度和预应力值对桥墩的影响，从而保证结构的可靠安全。     

钢骨混凝土桥墩抗撞击性能试验研究

为研究内置钢骨对混凝土桥墩抗撞击性能的提高作用,进行3根钢骨混凝土桥墩模型和1根钢筋混凝土桥墩模型的侧向静力加载试验和水平撞击加载试验,分析桥墩模型撞击破坏形态及影响因素,研究内置不同钢骨形式对墩身应变增长、桥墩撞击开裂和撞击剪切强度的影响。运用混凝土桥墩静力抗剪强度叠加原理,合理考虑混凝土抗剪强度组成因素及材料应变率效应,采用材料撞击动强度,建立预测钢骨混凝土桥墩撞击动力抗剪强度计算公式。研究结果表明:内置角钢、槽钢、圆钢管的混凝土桥墩的撞击开裂峰值力比普通混凝土桥墩分别提高98.76%、194.22%、186.76%,其撞击破坏峰值力比普通混凝土桥墩分别提高19.82%、52.83%、46.22%,内置钢骨对混凝土桥墩抗撞击开裂能力和抗撞击强度有显著提高作用;内置槽钢和圆钢管的钢骨混凝土桥墩的撞击开裂峰值力和撞击破坏峰值力比内置角钢的钢骨混凝土桥墩分别提高48.03%、44.27%和27.55%、22.03%,属于抗撞击性能较好的钢骨混凝土桥墩;所建公式计算结果与试验结果较符合,可为钢骨混凝土桥墩抗撞击强度设计提供参考。     

钢骨混凝土桥墩撞击动力性能模拟分析

为研究钢骨混凝土桥墩的撞击动力性能,运用有限元动力分析软件LS—DYNA,对钢筋和钢骨混凝土桥墩模型的撞击动力性能进行了模拟分析。采用两种本构模型(KCC模型、CSC模型)来模拟混凝土的撞击动力强度。将模拟计算的撞击力、撞击位移、撞击头加速度和墩身测点应变与试验结果做了对比,两者吻合较好。CSC模型能够更好地模拟撞击中混凝土的动力学性能。在此模拟基础上,研究了内置钢骨形式对桥墩撞击动力性能的影响,以及配钢率对桥墩撞击承载力的影响。分析结果表明,在相同撞击能量下,内置圆钢管的混凝土墩身应力较小,抗撞击动力性能较好;钢骨混凝土桥墩的抗撞击承载力随着配钢率增大而提高,但配钢率增大至一定程度后抗撞能力几乎不再提高。     

累次撞击对钢筋和钢骨混凝土桥墩撞击动力性能的影响分析

基于有限元动力分析软件LS-DYNA,通过对比有限元计算结果与试验结果验证模拟的合理性,建立了钢筋和钢骨混凝土桥墩模型的有限元撞击分析模型。在此基础上,对钢筋和钢骨混凝土桥墩模型进行了单次撞击模拟,对比分析了累次撞击对桥墩模型撞击动力性能的影响。结果表明,相同撞击速度下,累次撞击荷载下的撞击力比单次撞击小,两者偏差随撞击速度提高而增大;钢骨混凝土桥墩模型在单次和累次撞击荷载下的峰值撞击力之差,相比钢筋混凝土墩显著减小,说明钢骨混凝土桥墩抵抗多次撞击的能力较强。     

基于Hertz理论的落石撞击桥墩冲击力计算公式及参数研究

落石撞击棚洞的冲击力公式已较为成熟,但落石撞击桥墩的冲击力公式研究较少。基于Hertz弹性碰撞理论和Thornton弹塑性假设,通过速度恢复系数引入落石反弹计算项,建立了落石撞击桥墩的力学计算模型,推导了落石撞击桥墩的弹性和弹塑性冲击力表达式,并讨论了落石的冲击速度、冲击角度及半径对冲击力的影响;建立落石-桥墩有限元模型,将数值模拟得到的弹性与弹塑性冲击力与理论值进行对比。结果表明:落石弹性冲击力结果偏大,考虑材料弹塑性的冲击力表达式更符合工程实际。实例结果显示弹塑性冲击力仅为Hertz弹性冲击力的21.58%;落石冲击力随着冲击速度和半径的增大而递增,随着冲击角度的增加而递减;在进行桥墩防撞设计时,应充分调研落石等效半径的分布情况,可在碰撞区铺设一定厚度的低强度混凝土;用弹塑性冲击力理论公式进行设防时,建议引入落石弹塑性冲击力折减系数,其值可取0.6~0.8。     

钢-复合材料组合防撞装置在不同船舶撞击下的性能分析

为了解船-桥碰撞过程中组合防撞装置的防护能力,以东洲湘江大桥为背景,设计一种新型钢-复合材料组合防撞装置(由钢-复合材料迎撞面、复合材料分隔板、内部耗能填充材料和复合材料背撞面组成),采用LS_DYNA软件建立船-防撞装置-桥梁三者有限元模型,分析带球艏船舶、驳船不同水位撞击下有无防撞装置的桥墩结构响应。结果表明:未设防撞装置时,2类船舶撞击下结构响应均较大,相较于带球艏船舶,驳船撞击力峰值较大(10号墩撞击力峰值为17.53 MN);与低水位、平均水位相比,高水位撞击下结构响应较大。设置防撞装置后,带球艏船舶撞击力峰值平均减小30%,驳船撞击力峰值降幅可达54.2%,其他结构响应也明显降低。该防撞装置降低了桥墩结构响应和船舶损伤,具有较好的防撞能力。     

泥石流冲击作用下桥墩动力响应研究

针对桥墩在泥石流作用下的动力冲击问题,该文基于SPH-FEM耦合的数值方法,研究块石-浆体-桥墩之间的动态作用。分析含大块石泥石流冲击桥墩的全过程、冲击力时程、关键点位移时程、桥墩破坏情况等动力学行为。并将桥墩的冲击破坏机理与工程经验相结合,分析桥墩外包钢板和桥墩外包缓冲层+钢板两种优化措施对桥墩的防护效果。研究表明:大块石对桥墩的冲击作用容易对桥墩受冲击处造成局部破坏,且墩顶位移较大;在对桥墩进行外包钢板加固后,墩顶位移有很大程度的降低,桥墩所受的冲击力较未加固时有所增加,综合考虑,钢板厚度为10 mm时防护效果较好;对桥墩进行泡沫铝和钢板加固后,墩顶位移下降,并且桥墩所受冲击力也较未加固时有所降低,从桥墩所受冲击力的降低效果和桥墩塑性变形等方面综合考虑,外包缓冲层+钢板桥墩防撞性能最优,综合考虑,泡沫铝厚度为20 cm时防护效果较好。采用SPH-FEM耦合数值方法对桥墩受含大块石泥石流冲击的动力响应有很好的模拟效果。     

钢筋混凝土圆形桥墩正截面冲击承载力计算

针对工程中频发的桥墩撞击事故,根据欧洲规范(CEB)推荐的率型经验公式,得到对应应变率效应的混凝土动态抗压强度及相应动态断裂应变、钢筋的动态抗压(拉)强度;基于材料动态强度的应力—应变关系,并考虑桥墩截面的局部削弱,推导出冲击荷载下圆形钢筋混凝土桥墩正截面极限承载力的分析和计算公式;在对试验数据分析的基础上,通过算例验证桥墩动态极限承载力计算方法的可行性,并建议了冲击荷载下材料应变率的取值范围。     

灌浆波纹管装配式桥墩双向拟静力试验

为了解决桥墩与承台的装配式连接问题,提出金属波纹管和超高性能灌浆料的预制拼装桥墩方案。首先考虑施工方式和加载方向参数的影响,以某地铁高架桥为工程原型设计4个试件,然后采用水平单向和双向拟静力试验方法,对比分析金属波纹管节段拼装桥墩和整体现浇桥墩抗震性能的差异,最后探讨双向压弯作用下的极限承载能力验算方法。试验结果表明：灌浆波纹管试件塑性铰区纵筋出现拉断而不是纵筋拔出,说明灌浆波纹管的钢筋连接方式可靠;灌浆波纹管连接节段拼装桥墩损伤过程、破坏模式与整体现浇桥墩总体上接近,主要抗震性能指标的差异较小,认为抗震性能与整体现浇试件的抗震性能接近,表明灌浆波纹管连接是一种可行的装配式桥墩与承台的连接方式;相对于单向加载试件,双向加载的钢筋混凝土试件RC,最大水平力下降11%,极限位移下降18%,双向加载的预制拼装试件最大水平力降低11%,极限水平位移降低15%,残余位移增大了20%,试件损伤程度更为严重,说明在水平双向荷载受力下,整体现浇试件和节段拼装试件有着明显的双向荷载耦合效应;双向压弯作用下截面的弯矩计算方法能够较准确地校核节段拼装墩的极限承载能力。研究成果可为节段拼装桥墩的抗震设计和抗震分析提供参考。     

设置拉筋的铁路双柱式桥墩抗震加固分析

为确保双柱式桥墩在地震作用下的安全,以某铁路双柱式桥墩为例,提出了通过设置斜拉钢筋,减小桥墩在地震作用下的内力和位移响应,达到预防性抗震加固的目的。通过对双柱式桥墩进行PUSHOVER分析,求出桥墩屈服曲率和极限曲率及对应的弯矩、位移,并以此作为加固评价指标,评价多遇地震下及罕遇地震下斜拉钢筋对双柱式桥墩的加固效果。通过利用ANSYS有限元分析软件进行非线性时程反应分析,比较了双柱式桥墩在设置加固前后的内力响应、位移响应,研究了加固的必要性和合理性。结果表明:原双柱式桥墩在设置斜拉钢筋后,桥墩在多遇地震作用下处于弹性阶段,墩底内力减小;在罕遇地震作用下桥墩由破坏状态变为屈服状态,满足延性抗震的加固思路。     

受压UHPC圆形墩柱抗冲击试验及简化分析方法

为了研究受压UHPC墩柱的抗冲击性能，开展UHPC墩柱和普通钢筋混凝土墩柱的落锤冲击试验，试验变量为轴力。试验中测量冲击力和墩柱位移，并采用高速摄像机记录冲击过程中墩柱裂缝发生、发展直至破坏的全过程。在此基础上，建立基于纤维非线性有限元和两自由度质量-弹簧-阻尼系统的简化分析方法，用于分析受压墩柱的冲击响应。通过与试验结果对比，验证简化分析方法的有效性。基于简化分析方法进行了墩柱抗冲击极限承载能力分析和参数影响分析。研究结果表明：受压UHPC墩柱的抗冲击能力显著优于普通混凝土墩柱，多次冲击作用下总耗能远高于普通混凝土墩柱；UHPC具有良好的抗压性能和耐撞性，促使了"压力拱效应"的出现，能够显著提高受压墩柱的抗冲击性能；无轴压UHPC墩柱在冲击作用下呈现出典型的少筋破坏，当UHPC用于受弯构件或低轴力情况时，相比普通钢筋混凝土构件需提高最小配筋率要求；受压UHPC墩柱耗能能力约为普通混凝土墩柱的2.27倍；当冲击能量一定时，提高受压UHPC墩柱的配筋率和配箍率，能有效地减小墩柱跨中峰值位移和残余位移，但峰值力变化较小；相同配筋率时，提高冲击能量，跨中位移、残余位移、冲击力峰值也相应增大。     

温度、预拉力和冲击能量耦合作用下BFRP筋的抗冲击性能

为评估玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)筋在服役条件下的抗横向冲击性能,通过落锤冲击试验研究了不同温度(-20℃、25℃、50℃和90℃)、冲击能量(12.76 J、19.14 J和31.90 J)和预拉力水平(2％、20％和30％)耦合作用下BFRP筋的...     

吴淞江大桥桥墩抗船撞能力评估研究

针对吴淞江大桥主桥P1#、P2#桥墩用Midas软件建模,分别计算了桥墩在受到1000kN横桥向、顺桥向水平撞击力时在桥墩最危险截面处产生的内力。根据桥墩的实际配筋,按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》,计算桥墩实际能够承受的水平撞击力。横桥向水平抗力由P1#桥墩桩基强度控制,为8890kN;顺桥向水平抗力由P2#桥墩强度控制,为7944kN。应用有限元软件ANSYS／LS—DYNA建模分析在高水位时1000t级船舶正撞、侧桥向45°撞击桥墩产生的最大撞击力。根据计算结果评估桥墩的抗船撞能力。     

初始偏位梁式桥墩柱力学性能分析

对于中小跨径梁式桥,墩高较大且墩柱数量较多,施工过程中墩柱偏位现象时有发生.围绕墩柱初始偏位,归纳墩柱偏位出现类型,分析其内力分布特征,并以某墩柱偏位超限高墩连续梁桥为例,建立全桥杆系结构与墩柱实体结构有限元模型,分析墩柱偏位超限对主梁、墩柱的内力、变形及稳定性的影响.结果表明:从理论上,墩位偏位后将产生附加的弯矩、剪...     

螺旋箍筋约束高强混凝土柱轴心受压性能试验研究

为探究螺旋箍筋约束高强混凝土柱的轴心受压性能,开展了42根螺旋箍筋约束高强混凝土圆柱的轴压试验,研究了混凝土标准立方体抗压强度(58.0~90.6 MPa)、箍筋屈服强度(480~1 219 MPa)、体积配箍率(1.00%~1.60%)与箍筋间距(45~80 mm)对螺旋箍筋约束混凝土柱受压承载力和变形能力的影响。试验结果表明:箍筋约束混凝土在达到峰值压应力时,约束箍筋可能达不到屈服;约束箍筋的强度和体积配箍率相同时,随着高强混凝土强度的增高,约束混凝土达到峰值压应力时箍筋的拉应变减小;混凝土轴心抗压强度、箍筋屈服强度相同时,随着体积配箍率的提高,约束混凝土峰值压应变增大,相应的横向应变也随之增大,箍筋拉应变也增大。基于试验结果,考察了峰值压应力下箍筋拉应变与体积配箍率、混凝土强度、箍筋屈服强度和箍筋间距之间的关系,建立了峰值压应力下约束箍筋拉应变计算公式。拟合得到了约束混凝土峰值压应力f_cc、峰值压应变ε_cc、下降段曲线的特征参数(峰值压应力后85%峰值应力下的轴向压应变ε_c85、50%峰值压应力的轴向压应变ε_c50)的计算公式。给出了考虑体积配箍率、混凝土轴心抗压强度、箍筋间距和箍筋屈服强度影响的箍筋约束高强混凝土的轴心受压应力-应变关系模型。     

桥墩在船桥碰撞中的响应及损伤分析

船桥碰撞事故时船艏对桥墩的冲击力 ,以及由此引起桥墩、墩柱和桩基的动态变形和内部应力历程 ,可以通过非线性动态有限元数值仿真全程再现。以一艘 4万 t载重量球鼻船艏与某长江大桥桥墩碰撞为例 ,演示了数值仿真计算的过程。重点介绍了结构模型化及其参数选择等关键技术 ,获得并分析了船桥碰撞力、能量转换、以及桩基、承台和墩柱的冲击响应的一般规律和特点 ,从而可为桥梁设计、维护和损伤评估等提供了理论上的支持     

反复冲击压缩高岭土动力特性SHPB试验

为了探明软黏土在反复冲击压缩荷载作用下的动力响应，利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bars）试验技术，建立高岭土SHPB试验系统，进行反复冲击压缩试验。通过比选确定合理的试样厚度、整形器和冲击速度用以提高试验结果的精度；开展了7组不同厚度、含水率和冲击速度的高岭土试样测试，试样厚度分别为10，15 mm，含水率分别为24%、29%和36%，冲击速度分别为3，5 m·s^-1。试验结果表明：含水率29%的试样，冲击速度为5 m·s^-1更有利于试样应力均匀性的实现，反复冲击次数的增加亦提高了试样的均匀性，在反复冲击后，试样应变量下降约16%，而应力峰值提高了约30%；反复冲击过程中，高岭土试样的应变出现软化现象，随着冲击次数增加，试样的应变峰值经历“降低-上升-降低”的过程；平均应变率与含水率反相关，相同试样厚度下，冲击速度为5 m·s^-1，含水率为24%的试样反复冲击下的平均应变率最大为210 s^-1，冲击速度为3 m·s^-1，含水率为24%的试样的平均应变率依然最大为177 s^-1；高岭土试样的压缩波速主要受含水率的影响，含水率越高，波速越大，含水率为36%的试样波速最大值为313 m·s^-1，厚度为10 mm的试样能更有效获取冲击压缩波速。