地震作用下多跨简支梁桥挡块优化设计研究

为研究墩柱损伤时弹塑性挡块的合理参数设计,以三跨简支梁桥为例,建立了OpenSees有限元软件计算模型.通过非线性时程分析,动态调整挡块屈服强度,建立了挡块屈服与墩柱损伤状态之间的直观联系,分析了弹塑性挡块初始刚度、屈服后刚度比参数.研究结果表明:挡块强度的增大,其限位能力也增强;当桥墩挡块强度的设定以桥墩达到中等损伤为目标时,有利于地震惯性力合理分配;挡块初始刚度的增大,可有效降低主梁位移响应,其对桥墩地震响应的影响较挡块强度的小;强震作用下挡块屈服后,桥梁地震响应对挡块屈服后刚度的变化十分敏感,较小的屈服后刚度比对下部结构抗震有利,同时不会造成上部结构位移需求的急剧增长.     

材料刚度匹配关系在地下结构减震原理中作用的研究

前期研究和工程实践证明,围岩、抗减震层和隧道衬砌等材料关于刚度、阻尼和密度之间的匹配关系,对隧道在地震过程中的动态响应有至关重要的影响。为更深入了解隧道动态响应与相关材料匹配关系之间的内在联系,利用动力学振动理论给出了关于地下结构位移传递系数的一个解析解,并首次提出关于地下结构综合位移传递系数的概念。对计算公式进行验证后表明：在隧道的抗减震设计中,当不考虑抗减震层的材料阻尼时,抗减震措施的材料刚度对地震波中的低频部分具有较好的减震效果,而对于地震波中的高频部分,抗减震层的减震效果不明显;无论是抗震层刚度的增加,还是减震层刚度的减小,均存在一个合理的刚度增大或减小的范围,当刚度位于该范围内时,才能使隧道的综合位移传递系数较小,并且在经济上不会产生浪费。     

地震动输入方向对隧道洞口段动力响应的影响

隧道洞口段抗震分析中,需要考虑地震动输入方向的影响.通过数值模拟的方法对不同地震动输入方向输入时隧道洞口段仰坡和衬砌的动力响应进行了对比分析.结果表明:横向地震动作用时隧道洞口段的动力响应最大,纵向输入时次之,竖向输入时最小;横向和纵向地震动作用时,坡面位移放大系数(PGD)和加速度放大系数(PGA)均由减小段和增大段构成,竖向地震动作用时只有增大段;在距洞口20 m范围内,衬砌受地震惯性力的影响较大,超过20 m之后,衬砌上的惯性力作用在减弱.     

竖向地震对大跨度连续刚构铁路桥地震响应的影响

以内蒙古在建的大准铁路增二线黄河连续刚构特大桥为研究对象,采用反应谱分析方法研究了其在水平地震单独作用下、《公路桥梁抗震设计细则》和《铁路工程抗震设计规范》中规定的不同竖向地震分别同水平地震组合下的地震响应。结果表明:考虑竖向地震对连续刚构桥的地震响应非常明显;水平地震和《铁路桥梁抗震规范》中的竖向地震组合时结构地震响应较按《公路桥梁抗震设计细则》竖向地震组合时结构地震响应大,内力最大增幅为27%,位移为26%。     

材料强度与名义弹性模量退化对桥梁结构抗震性能影响的分析和比较

钢筋混凝土桥梁服役期间,混凝土与钢筋材料会不可避免地产生劣化,两种材料的劣化都会对结构的抗震性能造成影响。使用地震作用下结构位移响应的大小来评价结构劣化后的抗震性能,依据不同性能水准下的目标位移,通过有限元分析软件Open Sees建立桥梁墩柱模型,分别改变材料的参数设置,利用Pushover方法分析结构在地震作用下墩顶位移的响应,结果表明:随材料性能的劣化,在地震力作用下,墩顶位移响应逐步增大,遭遇罕遇地震时,相比于材料弹性模量,材料强度对结构抗震性能的影响较大;相对于混凝土材料,钢筋材料的劣化对结构抗震性能的影响更为显著。     

基于结构动力学的无砟轨道抗震设计参数研究

为了研究合理的轨道结构抗震设计参数，基于轨道结构动力学理论，建立考虑地震激励源的轨道动力学分析模型，计算地震激励引起的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构动力响应，进而研究轨道结构参数变化对各动力响应变量的影响规律，得出以下结论：典型地震波的频率基本处在0～10 Hz范围内，轨道结构的三向自振频率均大于10 Hz；地震作用下的轨道位移可能会超过规范限值要求，可通过将复合轨道板和底座相连接的方式加强轨道结构抗震；当扣件刚度或底座板弹性模量递增时，轨道结构动力响应指标均随之递增，因此在确保轨道参数合理匹配的前提下，适当降低扣件刚度、底座弹性模量有利于结构抗震设计；当扣件刚度或底座板弹性模量改变时，轨道板横向位移、底座板纵向应力、钢轨横向加速度显著变化，检算时需重点关注。研究成果可为轨道结构抗震设计、抗震评估、抗震加固措施提供借鉴。     

新型减震梁柱节点及其框架结构抗震性能研究

提出了一种新型减震节点型阻尼器,提高了节点及框架结构的抗震性能,并采用多尺度建模方法结合已有试验结果验证了其准确性,进而研究新型减震节点型阻尼器的抗震性能,并将其应用于钢筋混凝土平面框架结构.研究结果表明:设置新型减震节点型阻尼器后节点承载能力显著提高,耗能曲板环向开孔厚度为10和20 mm时梁柱节点的承载力较未设阻尼器的节点承载力分别提高8.3％和9.7％;将该新型减震节点型阻尼器应用于框架结构,能够有效降低结构的地震响应,当峰值加速度取为罕遇地震条件下的0.4 g时,耗能曲板环向开孔厚度设为1、2、4 mm时的有控结构顶点位移比无控结构分别减小53.8％、68.9％和70.4％,结构层间位移角最大值及底部剪力最大值均有明显减小.所提出的新型减震节点型阻尼器可有效降低结构的地震响应,为结构减震提供必要的参考和依据.     

预制装配式箱涵结构地震响应影响因素分析

通过数值模拟方法研究了不同埋深、不同地震动峰值特性和不同箱涵顶板伸出长度情况下装配式箱涵的地震响应特征。结果表明,在地震作用下,埋深增加,结构的水平相对位移、竖向相对位移和应力均增加;地震动峰值提高,最大主应力集中在顶板中部、顶板两侧角部以及侧墙内侧角部;当顶板伸出长度介于110～115cm时,箱涵水平位移、竖向位移以及最大主应力下降幅度较大,抗震性能较好。     

考虑SSI的整体式钢桥抗震性能参数分析

利用SAP2000建立了某整体式钢桥的三维有限元模型, 采用非线性弹簧单元和阻尼单元模拟地震作用下桥台-土和桩-土之间的相互作用, 分析了桥梁的模态、非线性时程与相应的参数, 研究了考虑土-结构非线性相互作用的整体式钢桥动力特性和抗震性能, 以及整体式桥台系统的主要设计参数对此类桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究结果表明: 压实台后填土、增加桥台高厚比、增加桩周土刚度将使桥梁结构纵向主频增加约6.5%~16.0%, 而H型钢桩的朝向影响仅为1.6%左右; 结构地震响应随着桥台高厚比增加而明显降低, 桥台高厚比为1.44时, 桩顶截面处于塑性阶段, 而高厚比增大到3.15和3.85后, 桩保持弹性状态; 随着台后土密实度的减小, 结构的地震响应明显增大, 增幅大都在40%以上; 桩的朝向由绕强轴弯曲调整为绕弱轴弯曲时, 桩的最大弯矩减小, 但弯曲应力增大, 材料由弹性进入塑性阶段; 随着桩周土刚度增大, 桥梁位移响应明显减小, 桩顶、台顶最大位移及墩底弯矩减小50%左右, 但是桩顶弯矩增大40%以上, 桩的朝向对此几乎无影响; 在满足设计要求及合理范围内, 建议采用高厚比较大与柔性较高的桥台, 并压实台后填土以减小整体桥结构的地震响应, 桥台基础采用H型钢桩时, 建议将其朝向调整为绕强轴弯曲以减小桩、桥台和墩柱的最大弯曲应力与位移。      

双柱式桥墩刚度对桥梁地震响应分析

为研究桥墩刚度对高墩桥梁抗震性能的影响,以带溪高架桥为研究背景,利用midas-civil选波工具选取合适地震波,建立了一致激励地震作用下的连续梁桥,并考虑P-Δ效应和非线性的影响,分析桥墩高度、桥墩截面尺寸及形式对桥梁抗震影响。通过改变墩径（墩径由1.2 m变化至2.4 m）抗震分析表明双柱墩直径对墩顶位移影响效果并不明显,墩径过大会导致桥墩内力较大;对不同墩高（墩高由20 m变化至50 m）地震响应分析表明墩高对墩顶位移起到控制作用,但墩高变化对桥墩所受轴力影响不大;由于P-Δ效应和约束影响,全桥为中间高墩、两边矮墩时具有较小的地震响应;在墩高为30 m情况下,相对于薄壁墩和实体墩,双柱式墩具有较好的抗震性能。     

铁路隧道洞口合理抗震设防长度

为确定隧道洞口段衬砌的合理设防长度,使隧道结构抗减震性能达到最优,以单线140 km/h、跨度6.4 m的铁路隧道为例,采用数值模拟方法,建立了隧道洞口段的动力分析模型;分析了围岩条件、衬砌物理力学参数等因素对地震作用下隧道洞口段衬砌内力响应的影响,讨论了围岩加速度响应和衬砌结构内力响应规律.数值模拟结果表明:距离超过洞口段3倍隧道跨度后,衬砌结构内力响应明显减小;振动台试验结果表明:洞口段抗震设防长度为3倍隧道跨度时,减震效果显著,验证了抗震设防长度的合理性.      

洞口段隧道结构动力特性分析

运用Newmark隐式时间积分有限元法,选用EI-Centro地震波,对洞口段隧道结构进行了二维地震响应数值模拟。得出了隧道结构的自振特性,地震波烈度和地震激励方向对隧道地震响应的影响规律:围岩性能越好,刚度越强,结构的自振频率越高;隧道结构在不同烈度地震中的响应是按地震波的最大加速度的比值增长。对研究洞口段隧道结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

外圆内椭管片结构内力计算模型

为了使地铁隧道适应地层荷载的不均匀性,参考异形管片结构形式,同时兼顾制作与施工等因素,提出外圆内椭管片结构,以保证管片结构最不利位置的刚度满足安全要求,并适当降低管片其他位置的刚度,充分利用材料特性;采用刚度阶梯折算法求解外圆内椭管片的柔度系数与自由项,建立外圆内椭管片的计算模型;参照实际工程地质条件,研究外圆内椭管片的内力分布特点;利用《铁路隧道设计规范》(TB 1003—2016)对外圆内椭管片的安全性进行评价。计算结果表明:相比于等刚度管片,在相同的荷载条件下,外圆内椭管片减小了管片结构拱顶与拱底的弯矩,将最大弯矩与最大轴力转移至拱腰,在验算时重点分析管片结构拱腰处的内力能否满足安全条件即可,简化了安全验算内容;在稳定性方面,等刚度管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为3.07、18.05和2.45,外圆内椭管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为2.79、14.86和2.21,虽然较之等刚度管片略有降低,但仍然大于安全验算要求规定的最小值2.0,可充分发挥混凝土的材料特性;在内部空间方面,外圆内椭管片在外径与等刚度管片一致的情况下,等刚度管片的内部空间面积为22.9m2,而外圆内椭管片的内部空间面积为23.76 m2,明显大于等刚度管片面积,因此,可在不扩大外径的条件下,增加了内部空间面积,提高了内部空间利用率。      

水域沉管隧道地震响应的影响因素分析

为分析隧道接头和上覆水对沉管隧道地震响应的影响，采用沉管隧道振动台试验和ADINA有限元软件模拟两种方法进行相关研究. 沉管隧道试验模型材料主要为微粒混凝土，模型缩尺比为1∶30，采用层叠剪切箱装填砂土构成场地，采用黏弹性人工边界和等效荷载输入方法对模型进行仿真分析. 研究结果表明:在同一深度土层，柔性接头沉管隧道的土层加速度放大系数小于刚性接头沉管隧道；当土层发生液化时，其加速度放大系数小于1；当沉管隧道接头剪切刚度（G）减小为0.10G和0.01G时，隧道截面剪应力减小20%和33%，截面轴应力峰值最大值减小16%和30%，截面剪应变峰值分别增加了60%和140%；上覆水使场地加速度放大系数变小，是由于水的存在加大了土层表面的阻尼；在P波作用下，上覆水水深从10 m增长到40 m时，沉管隧道截面剪应力峰值、轴向应力峰值和应变峰值最大值分别以3%～5%、30%～40%和12%～17%的幅度增加.      

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

衬砌纵向开裂隧道地震响应振动台的试验研究

为了研究高速铁路双线隧道衬砌纵向裂缝对结构抗震安全性的影响,针对《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）IV级围岩开展大型振动台模型试验,试验采用改进的静动耦合剪切模型箱,考虑隧道埋深、衬砌开裂位置和开裂形式3个影响因素,分析隧道衬砌的地震动应变和结构内力响应规律. 试验结果表明:在地震剪切波作用下,浅埋隧道和深埋隧道衬砌结构的破坏形式分别为受拉破坏和受压破坏,破坏位置均首先出现在拱腰,对应的无裂缝衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.8g和0.9g;拱顶和边墙处裂缝对隧道衬砌结构抗震安全性影响较小,而拱腰处裂缝影响显著;浅埋和深埋条件下,拱腰处有裂缝的衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.5g和0.6g;纵向裂缝的开裂形式不同,衬砌破坏时对应的峰值加速度基本相同;在深埋条件下,相比于正截面裂缝,拱腰处斜截面裂缝导致衬砌结构破坏后变形速度加剧.      

基于抗震概念设计的密肋复合墙新型抗震结构体系

以512汶川大地震震害调查为基础,从抗震概念设计的角度出发,对建筑结构的典型震害进行了分析,指出设置多道防线、合理刚度布置、增强整体性能、重视非结构构件等对于保证结构抗震安全的重要意义,并结合课题组多年的研究成果,提出了一种具备多道抗震防线的刚度可调型密肋复合墙新型抗震结构体系,探讨了其对于改善结构抗震性能所起的积极作用.     

隧道抗震仰拱形式优化分析

借助大型有限元软件ANSYS对隧道的地震反应进行数值模拟研究,确定计算模型并选取适当的材料参数,利用EL.Centro地震波研究处于特定条件下仰拱形式不同的隧道,分析隧道衬砌的位移、应力变化情况,确定不同围岩条件下适宜的隧道仰拱曲率半径,优化隧道仰拱形式。     

武汉过江隧道地震响应因素影响分析

运用ANSYS软件,以武汉过江隧道衬砌结构典型地质剖面为例,研究地基土压缩模量、衬砌模量、外径、顶板土层厚度及水深等因素对地震响应的影响,相关参数均来自工程实际,地震荷载考虑EI-centro双向地震作用,得出如下结论：（1）随着地基土压缩模量增大,衬砌同一节点竖向位移和应力最大值逐渐减小;在同一时刻,最大节点位移分布在衬砌顶部,最小节点位移分布在衬砌底部;最大节点应力主要分布在衬砌左右侧壁位置,最小节点应力则分布在左上侧壁位置区域。当土压缩模量大于20MPa后,无论是位移还是应力,其变化幅度减小。（2） 衬砌模量越大,其节点位移减小,而节点应力增大;外径越大,其节点位移较小,而节点应力除拱顶、拱底外逐渐增大,拱顶拱底应力先略微减小然后增大。（3）地基土厚度越大,其节点位移逐渐减小;节点应力则逐渐增大。（4）衬砌上部水深越大,无论是节点位移还是应力均逐渐增大。当水深在10m内时,变化幅度较小;超过10m后,变化幅度增长较快。     

爆破地震波作用下隧道衬砌结构动力响应研究

以地表爆破为振动源,通过控制不同的炸药量和爆心距来模拟不同强度的地震波,并利用工程地震仪实测振动源附近的隧道衬砌结构的动力响应,通过滤波和分离处理得到代表性的速度时程曲线;通过建立数值模型并加载监测到的速度时程曲线,以此来模拟爆破地震波对隧道衬砌不同断面不同部位的动力作用,并来探讨爆破地震对邻近隧道的影响范围和作用方式。