近场地震作用下铁路减震桥梁地震响应研究

为分析近场地震作用下的铁路减震桥梁顺桥向地震响应特性,用远场地震叠加三角函数型速度脉冲的方法模拟近场地震波,根据结构的弹塑性地震响应计算结果研究速度脉冲的波形、出现位置、脉冲时间对结构地震破坏的影响。结果表明:近场地震作用下铁路减震桥梁的减震效果降低,且支座的地震位移显著增大;速度脉冲波形、脉冲波发生时刻以及脉冲持续时间对桥梁地震响应有较大的影响;结构地震响应的最大值与地震波的SI值有较强的相关性,但与PGV/PGA值的相关性不明显;考虑限位装置地震碰撞效应以后,虽然支座地震位移得到了控制,但带来墩底剪力显著增大的问题;缓冲措施可以减小因碰撞引起的墩底剪力。     

铁路桥梁近断层地震响应与地震强度相关性

研究目的:以10组典型特征周期的铁路减隔震桥梁为研究对象,采用支座位置处延性位移作为地震响应参数(EDP),研究近断层地震作用下减隔震铁路桥梁地震响应参数与多种地震动强度指标IM的相关性。研究结论:(1)速度型IM指标最为适用于表征近断层减隔震桥梁非线性位移需求;(2)当结构初始特征周期与地震波高频能量集中区域频率及速度脉冲周期相近时,将导致EDP对IM值变化敏感,减隔震桥梁结构设计时应注意避开结构周期敏感区域;(3)本研究成果可为近断层铁路桥梁的减隔震设计提供技术支撑。     

近场地震速度脉冲下的反应谱加速度敏感区

已有的地震记录表明,含有速度脉冲的近场地面运动往往会具有较大的PGV PGA比值,进而会在反应谱中产生较宽的加速度敏感区。所以含有速度脉冲的近场地面运动会显著地改变结构的响应特点,使结构产生较大的内力和位移,同时对结构的延性要求也会加大。对三条来自Chi chi地震的脉冲型近场地震记录和一条Imperialvalley地震的一般记录的响应特点作了简单分析,并应用ANSYS有限元计算程序,通过对四个桥墩模型的时程分析发现,桥墩在含有速度脉冲的近场地震激励下,会产生相对较大的墩底内力和墩顶位移。从三个方面加强了对近场地震的设防,较为合理地解决了近场地震的设防问题。     

近场地震动作用下山地隔震框架结构抗震性能

研究目的:近断层地震动具有明显的长周期高能量的速度脉冲,对隔震结构可能造成严重的破坏,我国大部分山地地区处于地震多发带,对于修筑其上的隔震建筑结构来说,对其抗震性能的研究显得尤为重要。本文通过筛选来自台湾集集地震的不同特性的近断层地震波,并对不同特性的近断层波进行频谱分析,引入多次透射边界以模拟场地的无限性,分别考察上盘效应、脉冲效应、向前方向效应以及滑冲切效应对山区多层接地基础隔震框架结构动力响应的影响。研究结论:(1)未调幅的上盘地震动作用下结构的地震响应大于下盘,调幅后却下盘大于上盘;(2)在含滑冲切效应脉冲、含向前方向性效应脉冲、无速度脉冲地震动作用下,结构的地震响应的大小关系为:含滑冲切效应脉冲含向前方向性效应脉冲无速度脉冲;(3)向前方向效应地震动断层法向分量作用下结构的响应明显大于断层平行分量地震动;(4)本文给出了近断层地震动特性对多层接地隔震框架结构地震反应影响的规律,对近震区山地隔震框架结构的设计具有一定参考意义。     

铁路连续刚构桥近断层地震响应分析研究

研究目的:近断层地震动的加速度峰值(PGA)、速度脉冲等特征与远场地震有较大差异,对桥梁结构的破坏力更大。因此,为获得铁路连续刚构桥在近断层地震作用下的响应特点与破坏形式,以指导川藏铁路等近断层铁路桥梁的设计,本文以川藏铁路采用的典型连续刚构桥为对象,利用FRAME(3D)软件建立全桥有限元分析模型,开展铁路连续刚构桥近断层地震响应分析与破坏形式研究。研究结论:(1)有能量脉冲的、长周期成分丰富的近断层地震动对桥梁结构的破坏较远场地震更严重;(2)桥墩损伤程度与PGV/PGA的关系明显,其比值越大,破坏越严重,可将PGV/PGA作为判断地震动是否对结构产生严重破坏的重要指标;近断层地震动中,PGV/PGA0.2 s出现的比例高,桥墩损伤严重;(3)连续刚构桥在地震作用下的损伤主要集中在墩底、墩顶或系梁部位;(4)近断层桥梁结构抗震中,既要考虑断层地震脉冲式大功率输入的因素,又要考虑高强低周疲劳效应的累积损伤;(5)本研究成果可为近断层铁路连续刚构桥的设计建造与抗震设防提供技术支撑。     

地震动脉冲参数对近断层区深水桥墩动力响应的影响分析

本文采用基于流固耦合理论的势流体计算方法,以某典型铁路深水桥梁为研究对象建立墩-水作用模型,引入人工合成近断层等效速度脉冲方法,量化分析并提炼脉冲参数对深水桥墩动水压力及结构地震响应的影响规律。研究表明:脉冲效应有可能使结构动力响应成倍增大,脉冲峰值Vp、脉冲周期Tp和脉冲类型等3类脉冲参数对深水桥墩动力响应均存在明显影响。随着脉冲峰值Vp的增大,不同水深下桥墩结构的动力响应均增大;当脉冲周期Tp接近桥墩结构自振周期时,其动力响应被明显放大;对于本文算例,C类脉冲的影响最明显,B类次之,A类最小。结合反应谱分析可知,不同脉冲参数的影响方式和幅度有所差别,一定程度上可以根据脉冲波反应谱的频谱强度及周期分布特征解释。进行近断层区深水桥梁抗震设计时,应对比检验不同类型脉冲参数的潜在影响,确保桥梁地震安全。     

基于有限元功率流法的轮轨系统能量分布特性研究

为分析不平顺激励下轮轨系统内振动的分布及传递规律,采用轮轨动力学模型与有限元功率流相结合的方法,推导轮轨系统内各子系统输入功率流的计算公式,对比加速度与功率流两种指标在振动评价上的异同点,并分析能量在轮轨系统中的传递及分布规律。通过上述研究方法得到以下结论:功率流指标可直观给出振动过程中结构的输入能量及结构间能量的传递、消耗情况,加速度则反映结构的振动强度;列车运行时产生的低频能量(低于63Hz)主要输入到车辆子系统中,从而引起车辆子系统的低频响应;而高频能量(高于63Hz)主要传递至轨道系统,引起轨道结构的高频振动;轮对与转向架间的一系悬挂消耗了大量高频能量,而功率流流经二系悬挂后在全频率范围内均得到显著消耗,传递至车辆子系统的功率流由下至上在全频范围内发生衰减。     

近断层脉冲效应对高墩桥梁地震响应的影响

以一典型山区高墩桥梁为原型,利用ANSYS建立数值分析模型,采用能量识别的方法从台湾集集地震中选出脉冲和非脉冲地震记录各10条,对该算例桥梁进行了地震响应分析,对比分析了近断层脉冲效应对高墩桥梁地震响应的影响。研究结果表明:山区高墩桥梁墩高相差较大,主桥和引桥动力特性差异明显,地震作用下二者存在明显的不同步振动;由于近断层脉冲效应的影响,前场方向性效应产生的速度脉冲会对长周期段的反应谱产生明显的放大效应;近断层脉冲地震动将显著增大高墩桥梁的地震响应,相同的峰值加速度下最大改变率可达到21.0%。     

铁路简支梁桥三维地震易损性分析

为了评估铁路简支梁桥在近场地震作用下的抗震性能,基于OpenSEES平台建立铁路典型5跨简支梁桥的易损性分析模型。从PEER数据库选取100条地震波作为三维地震动输入样本进行非线性动力时程分析,获得不同地震输入角度对应的桥梁地震响应数据。根据桥墩弯曲破坏和支座变形破坏的损伤状态方程确定相应的损伤指标。基于结构可靠度理论,建立桥梁三维易损性分析方法,从而获得了桥墩和支座构件的三维易损性云图。由云图可以得到:桥墩和支座均在顺桥向和横桥向输入方向上最容易发生损伤。研究结果表明:在近场地震作用下,铁路简支梁桥的易损性与地震动的输入角度密切相关;桥墩和支座的易损性随地震动输入角度的变化规律具有明显的区别。基于三维易损性云图,可以给铁路简支梁桥的抗震设计和震后损伤识别提供理论依据。     

地震作用下车辆-轨道-桥梁系统振动台台阵试验与列车预警速度阈值研究

针对地震作用下高速铁路桥上行车的安全性问题,设计完成车辆-轨道-桥梁大型振动台台阵缩尺模型试验,制作了1∶10车辆、轨道及桥梁结构的模型,根据缩尺模型相似定理研究了不同地震强度下列车脱轨问题,并利用数值仿真方法建立了CRH380BL高速列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,通过对比分析试验结果与数值仿真分析结果,验证了数值分析模型的可靠性。在此基础上,以行车安全性及舒适度指标作为评判标准,利用上述仿真分析模型计算得到了不同地震强度等级下各项评价指标所对应的列车运行速度临界值,并探讨了现行规范中的地震预警阈值选取问题。研究结果表明:对于静止状态下的车体模型,在地震动峰值加速度为0.25g的ALS地震波作用下,车体将会发生脱轨。随着输入地震动峰值加速度的增大,舒适度指标最先超出限值,车辆的行车安全性指标次之,脱轨系数和舒适度指标控制的速度阈值逐渐减小,轮重减载率和横向轮轨力控制的速度阈值基本不变,舒适度指标对地震激励最为敏感,脱轨系数次之,轮重减载率和横向轮轨力最不敏感。在输入地震波的峰值加速度≤50gal时,车辆运行速度临界值取决于列车舒适度指标,速度阈值为160km/h;当输入地震波的峰值加速度达到60gal时,速度阈值降为140km/h;当输入地震波的峰值加速度达到80gal时,速度阈值降至140km/h以下,出于安全考虑建议此时采取紧急停车措施。     

近场具有脉冲地层运动的单自由度双线性结构残余位移比谱

遭受近场具有脉冲地层运动的桥梁由于非线性变形桥墩会产生残余位移,给桥梁震后的维修和重建带来困难。运用BISPEC程序,选择45条近场具有脉冲地震记录,进行不同基本周期、延性系数、双线性因子的单自由度双线性结构的时程响应及残余位移比分析。结果表明:不同地震动作用下,单自由度双线性结构的残余位移的离散性很大;场地类型、结构周期和位移延性对残余位移比的影响不大,双线性因子对残余位移比的影响很大;双线性因子大于0.1时残余位移比很小,双线性因子从0.1变到-0.1时残余位移比迅速增加,双线性因子小于-0.05后,残余位移比接近1。针对单自由度双线性结构的设计,提出近场具有脉冲地层运动的残余位移比谱。应用该谱的工程实例分析结果与非线性时程响应的分析结果吻合较好。     

铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥双向地震响应分析

采用铅芯橡胶支座,选取具有不同固有周期的4座铁路简支梁桥桥墩,建立空间有限元模型。以7组典型地震波作为激励,进行铅芯橡胶支座隔震铁路简支梁桥的双向地震响应分析。采用时程分析法计算考虑和不考虑铅芯橡胶支座恢复力耦合作用的隔震桥墩系统的地震响应。分析结果表明:双向地震动作用下考虑耦合作用的铅芯橡胶支座的位移—恢复力曲线与单向地震作用下不考虑双向恢复力的耦合作用时的位移—恢复力曲线在形状上存在较大差别,铅芯橡胶支座的滞回耗能也不相同;不同地震激励下铅芯橡胶支座恢复力的耦合作用对铅芯橡胶支座峰值位移的影响程度不同;随着桥墩一阶固有周期的增加,铅芯橡胶支座恢复力的耦合作用对一阶振型方向的支座峰值位移的影响程度逐渐增大;梁体的峰值地震响应的规范计算值大都高于实际值,故按照规范值进行铁路简支梁桥的隔震设计偏于安全。     

济南轨道交通建设中地铁建筑抗震设计标准探讨

针对济南市的地质条件和地震响应特征,在参考国家和其他省市相关抗震设计规范基础上,探讨济南市地铁建筑的抗震设计标准。结论如下:济南轨道交通建设中地铁建筑结构的抗震设防目标拟定为"中震不坏,大震可修",其抗震设防烈度为7度;抗震设计时应考虑场地条件对地震动频谱特性和幅值的影响;地铁建筑结构应分别进行设防地震作用下的内力及变形分析和罕遇地震作用下的变形分析。后续研究中拟通过振动台模型试验,分析确定适用于济南市地铁建筑的抗震设计方法。     

上下近接地下结构在地震作用下的动力响应分析

在地震作用下,探究上下近接、最小竖向净距2 m——地下商场和地铁车站的危险截面和相互影响规律。结合地铁抗震规范相关要求确立该工程的6种计算工况,建立三维模型运用时程分析法进行计算得出:相比两个结构单独存在,上下近接组合形式的结构动力响应均发生了一定量的增幅;结构构件距两结构相邻面越近,动力响应的增幅越大。因此,两个结构相邻面是地震发生时的危险截面。上下近接的地下结构的相互影响规律和危险截面等结论对以后的设计、施工能起到一定的指导作用。     

含不同矿物掺合料混凝土的硫酸盐腐蚀试验研究

混凝土在硫酸盐溶液中的腐蚀会对地下建筑造成严重的破坏。为了提高混凝土在地下水环境中抵抗硫酸盐腐蚀的能力,本文以掺粉煤灰、硅灰和矿粉的三种矿物掺合料混凝土为研究对象,开展了混凝土在15%硫酸钠溶液中的腐蚀研究。采用超声波平测法测得混凝土腐蚀60 d的腐蚀深度;此外,通过对比分析了不同掺合料混凝土腐蚀60 d的抗压强度。试验结果表明:掺10%掺量条件下,硅灰混凝土腐蚀深度最大,粉煤灰混凝土次之,矿粉混凝土最小,即矿粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的提升最有利;未腐蚀前,三种矿物掺合料混凝土的抗压强度从大到小依次为粉煤灰>矿粉>硅灰,腐蚀后,粉煤灰混凝土的抗压强度较腐蚀前有所提高,而掺硅灰和矿粉混凝土的抗压强度变化较小。     

地下结构抗震动力可靠度分析

由于地震的随机性,开展地下结构随机地震响应及其抗震可靠度分析具有重要的实际意义。本文从有限元动力分析的基本原理出发,利用脉冲响应函数和傅立叶变换原理,研究了将地震荷载作为平稳随机过程时地下结构随机地震响应分析方法,导出了平稳随机地震作用下地下结构动力响应的数字特征计算表达式。分析了地下结构在某烈度地震作用下和设计基准期内的抗震可靠度。     

铁路连续梁桥铅芯橡胶支座优化设计研究

基于最优化理论,以梁体顺桥向位移为约束条件,各墩底最大弯矩之和为目标函数,建立某3跨铁路连续梁桥铅芯橡胶支座(LRB)隔震体系优化设计模型。采用ANSYS中一阶优化方法,进行全桥铅芯橡胶支座动力控制参数优化设计研究。单条地震波输入优化分析表明:连续梁桥中墩和边墩LRB优化参数之间有明显差异,最大差距达42.18%。由于4组单条地震波激励下LRB参数优化解差距较大,进一步以4条地震波作为激励进行支座设计参数优化。结果表明:对于铁路连续梁桥,多条地震波激励下得到的目标函数最优解较单条地震波时更安全。故在实际桥梁减隔震设计中,减隔震支座参数宜采用多条地震波激励下得到的优化值,以确保连续梁桥结构在地震作用下的安全。     

新型客站随机地震响应的控制策略

高速铁路建造过程中出现的新型客站往往以房桥合一为特征,其综合了房屋建筑和桥梁结构二者的特点,抗震与减震设计必然不同于一般结构物。本文首先建立在新型客站中设置层间隔震和混合减震控制的基本模型,并基于随机地震输入和虚拟激励法推导高效计算表达式。在此理论基础上,研究层间隔震技术的减震效果和工作机理,指明层间隔震存在的缺陷。继而针对层间隔震的不足,在房桥合一客站中引入混合减震控制策略,其在层间隔震基础上通过设置连接阻尼器实现减小桥梁位移和避免梁体碰撞的目的,深入研究层间隔震与连接阻尼器的工作机理,提出混合减震策略的优化设计方法。研究表明:层间隔震与混合控制策略在房桥合一新型客站随机地震响应控制中是可行且有效的。     

轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响

轨道是限制铁路桥梁减隔震装置在地震中发挥耗能作用的一个可能因素。为了分析轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响,以高速铁路客运专线上两座采用不同减隔震装置的32m简支桥梁为对象,用非线性弹簧单元模拟道床的纵向位移阻力关系,建立地震作用下桥梁与轨道共同作用的线桥一体化计算模型,对其进行弹塑性地震响应分析。结果表明:轨道对铁路减隔震桥梁纵向自振频率的影响不可忽视,影响程度与道床阻力系数有关,随着道床阻力系数增加,结构的自振频率增大;轨道约束虽然对墩底的最大地震剪力影响不大,但对桥梁纵向地震位移和减隔震装置变形的影响出现增大和减小两种现象,设计时应考虑轨道约束产生的不利因素,适当提高相邻梁间的结构允许相对变形要求。