桩-土-结构相互作用对大跨度CFST拱桥的地震反应的影响

以某大跨度钢管混凝土拱桥为研究对象,桩基础与地基采用J.Penzien质量-弹簧体系模拟。大跨度钢管混凝土(CFST)拱桥的三维有限元模型使用ANSYS软件建立,并进行了桥梁的地震反应空间非线性时程分析,主要分析了考虑桩-土-结构相互作用后,在地震动不同输入方式下该桥的地震反应。结果表明,不同的地震动输入方式下,桩-土-结构相互作用对大跨度CFST拱桥地震反应的影响是不同的。     

桩-土-结构相互作用对超大跨度斜拉桥动力特性的影响

对于运用钻孔灌注群桩基础的超大跨度桥梁来说,桩-土-结构相互作用效应(PSSI)是影响桥梁结构动力性能的重要因素,其模拟的精度直接影响动力性能分析的准确性。采用改进的集中质量模型中应用最为广泛的Penzien模型,即在每根桩相应节点施加集中质量-弹簧粘滞阻尼器体系模拟桩-土-结构相互作用效应,并考虑结构的几何非线性与恒载刚度的影响,研究桩-土-结构相互作用对超大跨度斜拉桥动力特性的影响。研究结果表明:桩-土-结构相互作用使得结构变柔,刚度降低,自振周期变长,在动力分析时须予以考虑,尤其针对斜拉桥自振频率较低,模态振型较为集中且高度耦合,且由于桥塔在主梁以上未设置横梁使其具有自身独特的动力特性,更需引起注意。     

隔震桥梁非线性地震反应分析

根据隔震桥梁的设计特点，分别利用非线性水平和转动弹簧单元来模拟减，隔震支座和桥墩延性塑性铰的非线性性能，计及隔震器，减震器的作用对桥梁结构非线性弹塑性动力反应进行研究,采用大型结构分析软件ANSYS，结合算例分析了桥梁采用减，隔震支座和利用桥墩延性抗震的减震效果。     

大跨径在役桥梁随机地震动模拟方法

考虑桥梁结构的服役期对地震荷载的影响,应用等超越概率的方法将地震作用进行折减,将公路桥梁抗震规范中的两级设防标准扩展为三级设防标准.考虑地震动的随机性,应用概率理论将目标反应谱随机化,结合相干函数和相位差谱理论,采用MATLAB程序,生成在役桥梁结构空间相关多点非平稳随机地震动.模拟结果表明:应用等超越概率的方法可以将地震动峰值加速度进行合理折减;应用概率理论进行反应谱随机抽样,得到的随机地震反应谱能够较好地反映地震动的随机性,其中30条随机反应谱的变异系数最大差值为0.064,精度符合要求;计算反应谱与随机目标反应谱拟合情况良好,1、2号目标点的拟合优度值分别为0.82和0.81,精度符合要求;合成的人工地震动能够反映在役桥梁结构的已服役期和地震动的随机性,接近实际的地震记录.     

三本桥梁抗震规范的反应谱计算方法的比较分析

现今《城市桥梁抗震设计规范》、《公路桥梁抗震设计细则》以及《公路工程抗震设计规范》中反应谱计算有较大的差异性。以地震基本烈度为7度,地震动峰值加速度为0.15g地区为例,仅讨论规则桥梁在三种桥梁抗震设计规范情况下,采用反应谱法计算得出的E1地震作用下水平力。最后通过比较,得出桥梁结构在不同场地土以及不同地震动参数分区间三本规范的差异、比值大小及其变化范围。     

地震作用下特大型桥梁嵌岩桩基础动力响应

依托铺前大桥实体工程, 基于人工质量模型和桩-土惯性相互作用机理, 通过振动台模型试验, 选用叠层剪切式模型箱, 模拟了自由场在地震作用下的振动反应, 分析了0.15g ~0.60g (g为重力加速度) 地震动强度下大直径桥梁嵌岩桩基础加速度、相对位移、弯矩等响应特性和损伤情况等。研究结果表明: 桩基础加速度峰值从桩底至桩顶呈增大趋势, 加速度放大系数随地震动强度的增大逐渐减小, 输入地震波为0.55g 时, 桩顶加速度放大系数趋于稳定值1.34;桩顶加速度时程响应频率低于桩底加速度时程响应频率, 上部覆盖层对地震波的放大作用和滤波效应明显; 随着地震动强度的增大, 桩顶相对位移峰值近似呈线性增大, 在0.15g ~0.60g 地震动强度下, 桩顶相对位移峰值变化范围为1.97~6.73mm; 桩基础弯矩沿桩长呈“3”字形变化, 上部软硬土层分界处和基岩面附近弯矩达到峰值, 并随地震动强度的增大而增大, 地震动强度为0.50g 时达190.9kN·m, 超过桩身抗弯承载力; 桩基础基频随地震动强度的增大呈整体降低趋势, 在0.50g 地震动强度下, 其基频较0.35g 地震动强度下低50.1%, 桩基础产生损伤; 桩顶与承台连接处、上部覆盖软硬土层界面和基岩面附近桩身在地震作用下易产生裂缝, 桥梁桩基础抗震设计时应着重考虑。      

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。      

连续刚构桥地震反应分析

根据功能要求、使用情况等确定抗震设防标准及设防目标,对拟建连续刚构桥建立全桥整体分析模型,选定不同概率水准的参数,采用纵向+竖向、横向+竖向的方式作为地震动输入,以寻求结构在纵、横向地震作用时各桥墩的内力分布规律,综合分析评价桥梁抗震性能.反应谱法计算结果表明:该桥具有足够的抗震能力,可以满足预期的设计性能.建议应更深入开展基于性能的抗震理论研究,并逐步将该方法应用于桥梁抗震设计.     

连续梁桥地震反应分析

结合一座三跨连续梁桥,建立有限元模型分析研究了连续梁的地震反应。探讨了桩—土共同作用以及桥梁支座作用的正确模拟对连续梁桥地震反应的影响。分别按反应谱和动态时程2种方法对结构的地震反应进行了计算,并对计算结果进行了比较分析,得出一些对连续梁抗震设计有意义的结论。     

桩土相互作用对大跨连续刚构桥动力特性的影响

以一座大跨连续刚构桥为例,采用大型有限元分析软件midas/civil建立了全桥离散有限元模型,分别比较了全桥在承台底固结、等效土弹簧和等效嵌固3种不同边界条件下的动力特性。计算结果表明:桩土相互作用对大跨连续刚构桥的振型顺序和振型状态影响不大,但对频率影响较大。忽略桩土相互作用会使计算频率偏大,桩土相互作用对第2阶振型频率影响最大。采用适当深度的等效嵌固桩径可以模拟桩土相互作用。进行全桥动力特性分析时,不建议采用承台底固结简化模拟,建议采用土弹簧法来模拟桩土相互作用,以获取更为精确的动力特性计算结果。     

深厚软土地区桩—网复合地基承载性能的有限元分析

根据杭州至海宁城际铁路工程盐官车辆基地室内模型试验的模拟条件,采用Midas GTS NX软件,以有限元分析的方法研究了水泥搅拌桩-塑料排水板-土工格栅桩—网复合地基的承载性能。通过对三种方案地基的整体沉降、桩土差异沉降、孔隙水压力消散状况、桩土应力比与桩身轴力进行对比分析,比较其承载性能差异。分析结果有效验证了室内模型试验的合理性,对实际的类似工程具有指导意义。     

预应力混凝土连续梁桥抗震性能研究

依托某跨径布置为（47.5＋85＋47.5）m的预应力混凝土连续梁桥,计算分析了考虑和不考虑桩基桩-土之间的相互影响对预应力混凝土连续梁桥的动力和抗震性能的影响。采用桥梁分析软件MIDAS/Civil 2010建立了该桥的两种三维有限元模型,进行了自振特性分析,并应用反应谱法和时程分析方法计算了该桥的地震响应。分析结果表明,考虑桩基桩-土之间的相互作用使结构变柔,频率减小;顺桥向抗震设计由制动墩控制;考虑和不考虑桩-土之间的相互作用,对桥梁结构影响复杂。     

桩土效应对大跨度连续刚构桥竖向振动特性的影响

以一座大跨度连续刚构桥为例,采用有限元软件Midas Civil建立了考虑桩土效应和不考虑桩土效应的有限元模型,对比分析了桩土效应对结构动力特性的影响,计算结果表明:桩土效应对桥梁结构的振型变化影响不大,但对其自振频率影响较大,且随着振型阶数的增加,误差就越大;等效嵌固法在合理的取值范围内能有效地模拟桩土效应,建模相对简单,对于地质条件差、跨径大且结构形式复杂的桥梁,为获取精确、符合实际的结构动力特性计算结果,建议采用m法模拟群桩效应。     

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.      

基坑开挖影响下临近桩基稳定性分析

结合势能驻值定理,利用瑞利-里兹分析方法,分析基坑开挖与土体抗力对桥梁桩基稳定性影响。研究过程中利用土弹簧模拟桩周土,按实际地基土分层计算地基抗力系数,优化传统弹性抗力法。通过一系列演算,推导出两端固定支承时桥梁桩基临界荷载公式,提高了精确性,更加贴近实际工程。     

基于边界元法的隧道掘进对邻近基础影响研究

建立边界元法研究隧道掘进施工对邻近桩基础的影响。边界元计算过程中使用圆柱单元、环形尖单元和环形不连续单元模拟桩。桩-土相互作用行为通过桩-土交界面的变形协调方程、桩受力平衡方程、桩头和承台变形协调方程以及桩头和承台的受力平衡方程进行描述。针对某隧道下穿既有桩基础工程,采用边界元和3D有限元软件Midas GTS模拟,对比分析隧道掘进引起上方桩基础的沉降,并研究了地层损失率对桩沉降的影响。研究结果为工程设计以及施工过程中隧道周边建筑保护提供参考。     

大跨钢管混凝土系杆拱桥考虑桩-土作用的近断层地震响应研究

为揭示桩-土作用对大跨钢管混凝土系杆拱桥近断层地震响应影响,针对桥梁抗震分析中常见的6种桩-土作用模拟方法,研究并建立了相应的分析模型,选取9组近断层地震动记录作为激励,开展了全桥数值模拟分析.以直接嵌固法为基准,对比研究了桩-土作用对拱桥关键构件地震响应的影响.研究表明:桩-土作用对系杆拱桥的地震响应具有显著影响,可导致桥梁关键构件的地震响应增大50％以上,其中对拱肋和风撑地震内力的不利影响最大,而对拱肋地震位移的影响最小;采用不同方法模拟桩-土作用对系杆拱桥地震响应的影响规律总体上一致,但影响程度不同,表明这几种模拟方法都可用于判断桩-土作用的有利或不利影响;最后在本研究范围内,桩-土作用的非线性影响有限,采用计算量更小的m法替代p-y曲线法也能得到较为理想的分析结果.     

随机地震激励下高墩桥梁碰撞可靠度分析

为了研究不同地震动强度作用下高墩桥梁的碰撞可靠度的不同,在频域范围内提出了一种以虚拟激励法为基础的动力可靠度计算方法,依托某高墩大跨度桥梁为工程背景,分析了高墩桥梁在不同地震强度下的碰撞可靠度.选择反应谱的水平加速度作为地震强度衡量指标,且将不同强度指标的反应谱转化为相应的功率谱;利用虚拟激励法求解随机振动方程,得到结构响应的均值与均方差值,再基于Davenport理论获得结构峰值响应的期望和标准差;根据首次超越理论计算梁体碰撞可靠度.研究表明:地震动加速度小于0.22g时,梁体之间不发生碰撞,动力可靠度为1.0;加速度大于0.22g时,梁体碰撞动力可靠度下降明显,即在强震作用下,梁体发生碰撞.      

基于相位差谱的非平稳地震波合成及应用

为了模拟地震动的非平稳性和多维性并克服传统三角级数法在合成地震波中选择包络函数具有任意性和不能表征频率非平稳性的缺点,提出了基于相位差谱法的多维多点非平稳人工地震波合成. 首先,基于随机场理论模拟地震动的行波效应、相干效应、场地效应和多维性;其次,确定能表征地震动的强度非平稳和频率非平稳性的相位差谱;最后,将合成的非平稳地震波和当量反应谱应用到实际桥梁抗震分析中进行分析对比. 研究结果表明:相位差谱法合成多维多点非平稳地震动不需要包络函数控制地震波的波形,排除人工选择强度包络函数的任意性,且考虑了地震动的空间相关性和多维性,优于传统的三角级数法;本文方法与传统反应谱法计算结果基本一致,采用反应谱法计算的两处墩底的剪力值和弯矩值分别相差在10%和17%以内,本文方法分别在9%和12%以内.      

高速铁路桥上无缝线路断轨力计算模型

在吸收前人研究成果的基础上,采用实体单元模拟桥梁及桥梁墩台,采用空间梁单元模拟钢轨及轨枕,采用弹簧单元模拟钢轨、轨枕、桥梁与墩台之间的连接,建立了断轨三维有限元空间力学模型。以秦沈客运专线10跨32 m简支双线整孔箱形梁桥为例,对其进行断缝值影响因素分析。研究结果表明:对于多跨简支梁桥,断缝与梁温度变化幅度、断缝位置、支座摩擦阻力关系不大;断缝值与扣件纵向阻力、钢轨温度变化幅度、桥墩纵向刚度、钢轨类型关系比较密切;断缝值及采用的力学计算模型也有一定的关系,相比传统计算模型,空间力学模型计算结果偏小。