近断层地震动对大跨钢管拱桥作用指标研究

结合地震动的频谱特性,研究了钢管混凝土拱桥受近断层地震动作用的评价指标.根据长周期、大跨拱桥结构易受地震低频分量和时域能量脉冲破坏作用的特点,提出了利用二进正交小波分解地震信号,并综合考虑各小波分量峰值对结构的作用影响,得到可以用来评价近断层地震动对所研究拱桥结构破坏作用的指标,体现了基于性能的结构抗震设计思想.     

近断层地震作用下大跨CFST拱桥的动力稳定性

为研究大跨度CFST(钢管混凝土)拱桥在近断层地震作用下的动力稳定性能,以主跨132 m的下承式钢管混凝土拱桥为工程背景,以台湾集集地震记录作为横向输入,采用动态增量分析(IDA)方法,对动力失稳临界荷载的确定进行了探讨.为提高IDA的分析效率,采用了高性能数值计算并行处理方法.此外,还讨论了加强IDA曲线簇收敛的问题.结果表明:脉冲型近震可导致非线性极值动力失稳,失稳临界荷载明显降低;采用加权平均加速度峰值作为地震强度指标,能显著改善IDA曲线簇的离散性,有利于揭示近断层地震对钢管混凝土拱桥造成动力失稳的特点.     

基于实际记录检验的近断层区结构抗震设计谱研究

由于长周期大幅值脉冲型运动效应、方向性效应等显著特征,近断层地震动和远场地震存在明显差别,近场区的设计地震动需专门研究.文中建立了包含世界范围内23次主要地震事件中338条水平向记录的近场地震动数据库,对中、美相关的代表性抗震规范的设计反应谱进行了场地分组下的实际地震动检验,表明现行各规范与近场需求存在较大差别,难以直接适用于近断层区的结构抗震设计.通过引入考虑近场地震动效应的近断层系数、衰减指数,分别对设计谱平台高度和中、长周期段衰减速率进行修正,并通过对特征周期的取值进行调整,给出了适用于近断层地区结构水平向抗震设计谱的建议.对比检验表明,所建议的设计谱和实际近断层记录分组均值谱吻合较好,并与代表性的跨越断层区典型高速公路桥梁桥址抗震设计谱相一致,可适用于近断层区域工程结构的抗震设计.     

脉冲型地震动对CFST拱桥抗震性能的影响分析

为了研究脉冲型地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震性能,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,采用时程分析方法系统分析了其在非脉冲和脉冲型地震作用下的抗震性能. 首先,基于PEER地震衰减模型并采用谱兼容的方法选取了符合不同场地条件且具有不同脉冲周期的天然地震记录;其次,在综合考虑有无脉冲、脉冲周期以及地震动多维性的基础上,对钢管混凝土拱桥的抗震性能进行了对比分析. 研究结果表明:脉冲型地震动会对结构响应产生较为明显的影响,脉冲效应对结构响应的放大作用在0.96～19.88倍之间,桥梁修建处的场地条件越好放大作用越明显;脉冲周期的不同也会对结构响应产生不可忽略的影响,结构响应的改变率在10～133%之间,脉冲周期越小脉冲效应对结构响应的放大作用就越明显;与非脉冲型地震动相比,地震动多维性对脉冲型地震作用下的结构响应影响较小,但随着脉冲周期的减小,地震动多维性对结构响应的影响变大. 因此,在对断层附近的钢管混凝土拱桥进行抗震设计时不但要考虑有无脉冲的影响,还需要考虑脉冲周期、地震动多维性以及桥梁修建处场地条件的影响,以免错误地估计结构响应.      

桥梁结构非线性地震响应极值分布的估算方法

为了研究近断层脉冲地震作用下桥梁非线性地震响应极值分布,进行小失效概率下的桥梁动力可靠度精确计算,提出了一种有效的近断层脉冲地震作用下桥梁结构非线性地震响应极值分布分析方法. 首先考虑桥梁结构的非线性和地震动的不确定性,采用拉丁超立方抽样对近断层脉冲地震动随机参数和结构随机参数进行随机抽样,通过模拟的高频地震动均方值和与精确值的相对误差确定出所需要的样本数量;其次以合成的近断层脉冲地震动作为地震激励,通过时程分析对结构非线性动力方程进行求解,从而得到结构非线性地震响应极值样本,再采用改进的分数阶矩最大熵原理获得结构非线性地震响应的极值分布;最后通过非线性单自由度系统和三层非线性剪切框架验证了该方法的有效性. 研究结果表明:该方法不仅能够有效的模拟近断层脉冲地震作用时,桥梁结构与地震动双重不确定性影响下的动力响应极值分布,更能在兼顾效率和计算精度时,精确估计桥梁结构非线性地震响应极值的尾部分布,能够为桥梁结构非线性动力可靠度评估提供一种有效的途径.      

复杂多层隔震结构近场地震动位移响应特征分析

为了研究近场地震动特征参数对超长复杂基础隔震结构地震位移响应的影响特征. 首先,分析了128条近场地震动特征参数之间的相关性;接着,对超长复杂基础隔震结构输入地震动,分析脉冲型地震动和非脉冲型地震动的特征参数与结构位移响应之间的相关程度及变化特征. 结果表明:隔震结构的长周期值因接近速度谱中速度敏感性区域而远离加速度谱中加速度敏感性区域,使得结构位移响应与地面峰值速度（peak ground velocity,PGV）的相关程度大于与地面峰值加速度（peak ground acceleration,PGA）的相关程度;地面峰值位移（peak ground displacement,PGD）、输入能对较低楼层的层间位移影响程度大于较高楼层层间位移的影响程度,而PGV和PGA对较低楼层的层间位移大小影响程度小于较高楼层层间位移的影响程度;其他特征参数（除输入能和PGV之外）与基础隔震结构层间位移响应的相关程度大小,同该特征参数与地震动特征参数输入能（或PGV）的相关水平程度相一致;除此之外,近场地震作用下,结构端部及边角位置支座相对中心位置支座位移明显偏大,脉冲型地震动对结构层间位移和隔震层位移分别放大56.59%、58.33%,且对较低楼层的层间位移放大作用更加明显.      

基于自适应匹配算法的速度脉冲型地震动模型化

速度脉冲型地震记录至今尚未有完整的波形参数识别方法，从地震动数据库中批量识别脉冲记录并搜集波形参数仍然有一定困难. 针对此问题，将脉冲量化识别、脉冲解析函数、自适应匹配算法三者结合，提出一套脉冲波形参数识别方法，可实现脉冲波形和解析函数之间的自适应匹配；该方法包括一个借助EMD (empirical mode decomposition) 的核心算法，对近场速度脉冲型地震记录实现平滑；再以Mavroeidis函数为脉冲基本模型，根据其特征参数的变化范围，分别对脉冲频率、脉冲形状系数、脉冲振荡特征系数进行了参数样本的循环枚举，并由优化算法确定模型参数取值；在此基础上，给出了当前既有的速度脉冲型记录样本的上述模型参数识别结果，并根据统计给出了地面峰值加速度分布和主脉冲周期的关系. 研究结果表明:和既有的方法利用Dickinson模型识别方法相比，本文算法对波形显著不对称的记录主脉冲周期识别错误率降低了约67%，较好的识别稳定性更有利于工程应用.      

近断层地震地面运动峰值衰减规律研究

研究近断层区域地震动的峰值衰减规律,可以为近断层区的地震危险性分析和工程结构抗震设计提供关键性基础数据．基于包括中国“5．12”汶川地震在内的全球23次地震事件中的338条近断层地震动记录,引入考虑震级和断层距影响的地震动衰减模型,采用最小二乘法对峰值加速度、峰值速度及峰值位移进行了回归分析,得到了近断层区域地震动峰值的衰减关系．与其他学者所提出的衰减关系的对比表明,文中提出的峰值衰减模型可更准确地揭示近断层区域地震动峰值的衰减变化规律．     

近断层地震脉冲效应对大跨度桥梁地震响应的影响

历次震害表明,近断层地震的脉冲效应（滑冲fling step和前导方向性forward rupturedirectivity）使得大量土木工程结构产生灾难性的破坏。大跨度桥梁的动力特性决定了这两种不同的脉冲效应都将对其地震响应产生影响。通过选取具有典型脉冲效应的近断层地震记录,检查了三座不同类型的大跨度桥梁的地震响应,并探讨了脉冲效应的影响。结果表明：滑冲效应在长周期的大跨度桥梁关键部位产生数倍于一般地震的位移和内力响应,而加速度脉冲效应可能对位移响应并无太大影响,却对其内力响应具有与滑冲效应同等程度的影响;对于周期较短的拱桥结构,虽然滑冲效应对其部分长振动周期结构的位移响应具有较大的影响,但加速度脉冲对结构内力的影响更为显著。     

近场多脉冲地震作用下高墩桥梁地震响应分析

为了研究近断层地震的多脉冲效应对不规则高墩大跨桥梁非线性地震响应的影响,首先,采用眼观识别的方法选取了典型的多脉冲、单脉冲和非脉冲3组地震动;然后,采用小波变换识别方法和能量识别方法对其脉冲性进行识别,研究了脉冲地震动识别方法对多脉冲地震动的适用性;最后,以某大跨度高墩桥梁为例,基于OpenSees建立了其非线性有限元模型,对其进行了非线性地震响应分析,对比研究了近断层多脉冲地震动及单脉冲地震动对不规则高墩桥梁非线性地震响应的影响. 研究结果表明:现有的近断层脉冲识别方法只适用于速度时程中只含有一个主脉冲的地震动,对于多脉冲地震动,其失效的可能性非常大;近断层脉冲地震动对不规则高墩桥梁具有更强的破坏性,特别是在多脉冲地震作用下,1号、2号两个高墩的墩顶位移需求分别增加了118.9%和109.6%,墩底弯矩和墩底曲率也有明显的增大;近场多脉冲地震作用下主梁的碰撞次数增大了3～5倍,碰撞力也会增大2～3倍,主梁更容易发生严重的碰撞破坏,在抗震设计时应采取适当防撞措施.      

碰撞对山区高墩桥弹塑性动力响应的影响

为了研究碰撞对山区高墩桥动力响应的影响,以某一大跨度高墩桥体系为原型,充分考虑了碰撞过程中的刚度变化、能量耗散以及桥墩的非线性行为,基于OpenSess平台建立了两种典型桥跨结构的弹塑性动力分析模型.在此基础上,利用所选的天然地震波和人工地震波对比分析了碰撞效应对山区高墩桥弹塑性动力响应的影响.研究结果表明:碰撞会对高墩桥结构的动力响应产生较为明显的影响,特别是场地条件较差时,其最大改变率为15.86%,桥墩与主梁的连接方式会进一步改变碰撞对桥墩变形的影响程度;相邻结构动力特性差异越大,高墩桥体系发生碰撞的概率就越大,但碰撞次数的增加可能会对桥墩变形起到限制作用,降低桥墩的响应,在确定山区高墩桥体系相邻结构周期比时,既要考虑相邻结构动力特性差异对碰撞概率的影响,还应考虑其对碰撞效应的影响;高墩桥的梁-桥台碰撞主要受地震动作用大小的影响,地震动的强度和相邻结构动力特性的差异均会对梁-梁碰撞产生影响,在对高墩桥进行减撞防撞设计时,应针对不同的碰撞位置采取不同的措施.      

基于特征正交分解的空间变异地震动模拟

结合模态截断技术，导出了特征正交分解型谱表示法的随机模拟公式．给出了空间变异地震动的随机描述，并通过引入对地震动谱矩阵的预分解，导出了用于平稳空间变异地震动随机模拟的简化计算公式，避免了较耗时的对复矩阵求特征值的运算．简化公式同样可用快速傅立叶变换算法加速，较之原有模拟方法具有较高的计算效率．最后，模拟了龙潭河特大桥桥址处的空间变异地震动，说明了所推导的方法是正确的，同时形象地说明了地震动特征正交分解模态的物理意义．     

基于多因素分析的抗震结构阻尼耗能研究

阻尼耗散能量是基于能量性能抗震设计方法的重要指标,需要深入研究不同的地震动和结构特征参数下阻尼耗能的分配特征.以3种场地下的214条近断层地震记录为输入,以简化为理想弹塑性（EPP）、双线性（BL）和刚度退化（SD）滞回模型的单自由度体系的抗震结构在大量近场地震作用下的阻尼耗能分析为基础,从地震动特征和结构特性参数两种角度分别定量讨论了多种因素对结构阻尼耗能比值谱的影响规律.分析表明,场地土类型和断层距对阻尼耗能比的影响并不明显,持时和地震动峰值加速度在不同的周期和延性条件下对阻尼耗能分布比例有一定程度的影响,决定阻尼耗能分配比例的主要因素是结构阻尼、变形延性系数和结构自振周期.通过与计算结果的对比,指出了Akbas所建议计算方法存在的不足.研究成果对于探讨提高阻尼耗能的有效方法,发展基于能量原理的结构性能抗震设计方法具有参考价值.     

大跨度连续梁拱桥多点多维地震响应分析

为研究多点多维地震动作用下大跨度连续梁拱桥的动力响应,以我国南方某主跨为139 m的钢管混凝土连续梁拱桥为研究对象,基于有限元软件OpenSEES建立桥梁的三维有限元分析模型,人工合成空间非一致地震动,探究地震动的失相干程度、场地条件及行波波速对桥梁动力响应的影响. 研究结果表明:地震波的空间变异性效应会对连续梁拱桥的地震响应产生明显影响,仅考虑一致地震动激励会高估桥梁结构的地震响应;场地效应对桥梁地震响应的影响规律最为突出,随着支撑点处的场地越来越松软,桥梁各个部位的内力及位移响应均大幅增加;地震动的失相干效应越明显,桥梁拱肋的内力越大,位移越小;行波效应对桥梁结构的地震反应没有较为明确的影响规律,但不可忽略其作用,仅考虑行波效应会严重低估下部结构的地震响应;在大跨度桥梁结构的地震响应分析中,应着重考虑地震动的空间变异性效应,并且准确衡量各因素的作用.      

近场地震作用下密肋耗能复合墙结构地震响应分析

通过非弹性动态方法,改变控制参数的结构,输入不同近场地震波,进行地震响应分析．利用非线性有限元程序IDARC,建立密肋耗能复合墙结构简化分析模型,对同等条件下的密肋耗能复合墙结构与框架剪力墙结构,在近场地震作用下的典型层滞回曲线及结构耗能分布系数,进行对比分析．结果表明：在近场地震作用下密肋耗能复合墙结构,表现出良好的耗能减震能力,是一种较理想的新型抗震结构体系．     

随机地震动下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究

为研究随机激励作用时粘滞阻尼器在结构中的实际减振效果,开展了随机地震动作用下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究. 振动台试验中,采用基于物理随机地震动模型生成的地震动样本作为台面输入. 通过对有控和无控模型结构响应的均值、标准差以及概率密度函数等进行比较,系统分析了粘滞阻尼器的消能减震效果. 结果表明:有控模型结构层间位移响应显著减小,楼层剪力均方根值取得一定的减振效果,而大多数楼层绝对加速度响应出现不同程度增大;随机地震动作用下模型结构动力响应的变异性显著,且不同试验地震动样本输入时粘滞阻尼器取得的减振效果不同;粘滞阻尼器-钢支撑系统工作时能给被控结构提供一定的附加刚度和附加阻尼,使得结构动力特性产生变化,进而改变结构地震响应;有控模型结构底层位移响应的均值及标准差在地震动作用时段内均显著减小,且底层位移响应在各时刻的概率密度函数的分布宽度及其形态较无控时发生明显变化.      

地震空间变化性对高墩铁路桥碰撞响应的影响

为了研究不同地震动参数对高墩铁路桥碰撞的影响,以一座典型高墩铁路桥为例,基于OpenSees平台采用弹塑性动力时程分析方法对其在一致激励及多点激励下的碰撞响应进行了理论分析.首先,采用Hertz-damp模型充分考虑了结构在碰撞过程中的能量耗散和刚度变化;其次,依据中国桥梁抗震规范并基于"谱兼容"的方法选取了符合不同场地条件的天然地震记录;最后,在此基础上完成了考虑行波效应和场地效应的高墩桥碰撞响应对比分析.研究结果表明:地震动的空间变化性不但会对桥梁结构的内力产生显著影响,还会增大结构的振幅或加剧相邻结构之间的不同步振动,从而显著增大碰撞发生的概率和碰撞力的大小,在桥梁的抗震设计中应考虑其对桥梁结构碰撞产生的影响,否则会错误的估计结构的响应;行波效应会改变地震动的相位角,对梁-梁处的碰撞影响更为显著,特别是视波速较小时,而场地效应会增大地震动的幅值,对梁-桥台处的碰撞影响更为显著,在进行防撞减撞设计时不但要考虑地震动的空间效应,还应充分考虑导致结构不同部位发生碰撞的主要因素,以便采取合适的减撞措施和设计方法.      

大跨高墩连续刚构桥内力状态及其对地震反应的影响

为研究实际施工过程和混凝土收缩徐变对连续刚构桥成桥内力状态的影响以及不同内力状态下主桥的地震反应差异,以某大跨高墩连续刚构桥为背景,建立了MIDAS/Civil施工阶段分析模型,并讨论了各施工因素对主桥内力状态的影响;基于等效荷载法提出了适用于连续刚构桥的内力等效荷载计算方法,通过将主桥内力进行分解,以若干简单的内力等...     

高铁简支梁桥横向地震碰撞效应及减震研究

为了研究高铁简支梁桥横向地震碰撞效应及减隔震装置的减碰效果,以7跨32 m标准跨径简支梁桥为例,通过试验测定挡块的实际力-变形曲线,并基于SAP2000建立了考虑地震碰撞效应的有限元模型.在此基础之上,分析了轨道系统、挡块-垫石初始间距及挡块钢板厚度对桥梁地震响应的影响,并进一步探讨了橡胶垫层、铅芯橡胶支座（LRB）、摩擦摆支座（FPB）、高阻尼橡胶支座（HDR）及液体粘滞阻尼器的减碰效果. 研究结果表明:轨道系统的约束作用会显著改变各桥跨之间的地震力分配;在所考虑的最大地震激励下,碰撞力峰值达2.18 MN,挡块的非线性效应显著;对于本文算例而言,挡块-垫石间距设为3 cm,挡块钢板厚度取32 mm是一个较为合理的配置;减隔震装置能够有效地改善桥梁结构抗震性能,且其防碰减震效果受地震波频谱特性及自身作用机理的影响,其中,FPB支座具有较强的适用性,且安装FPB支座后各桥跨之间的地震力分配更加均匀.      

主塔基础形式对超大跨斜拉桥抗震性能的影响

以泰州过江超大跨斜拉桥为例,就主塔分别采用高桩承台基础和沉井基础两种形式,对比研究桩基础大质量承台参与结构高阶水平向振型的质量参与系数分布、周期分布等特点,输入人工地震动参数,针对两种主塔基础方案采用线性时程分析方法计算桥梁结构控制部位地震反应并进行比较,再就桩基础方案中大质量承台对承台底水平反力的贡献进行时域和频域分析。研究表明,与沉井基础相比,主塔桩基础大质量承台参与结构高阶振动对超大跨斜拉桥动力特性和地震反应有重要影响,特别对主塔基础水平反力有显著的倍增效应,增大了超大跨斜拉桥的地震易损性。