跨越V形峡谷的桥梁抗震分析:多水平成层非均匀介质V形场地多点地震动模拟

为了解峡谷地形对地震波场分布的特殊影响,重点发展和实现了V形非均匀多层介质峡谷的多点地震动场模拟,其理论依据是在长期假设均匀介质峡谷场地的基础上引入分层效应模型,其优点在于考虑了地下土层分布不均匀对地震动的影响。具体理论包括:稳态波场被分为封闭区和开放区,同时引入波函数展开法和大圆弧法,经推导得到了V形峡谷在SH波入射激励下稳态波场的分布频域解析解,进而得到分布于V形峡谷表面的频域谱;然后,简述导出的基于V形峡谷地形的"平-凹"相干函数模型;进而,利用两步骤传递函数法(水平自由表面→V形峡谷表面→峡谷地下)推导得到地下频域谱;由此,形成并阐明了非均匀多层介质V形峡谷表面和地下的多点地震动具体模拟方法;最后,开发了依据上述途径的V形场地多点地震动模拟程序并实现其可视化,验证了计算结果的合理性和可靠性。分析结果表明:波场幅值在峡谷两侧水平场地与峡谷底部具有明显差异,峡谷效应的多点相干性因各土层分界面与峡谷边界稳态波场中的散射成分存在而被降低。     

跨越V形峡谷桥梁多层介质效应的多点激励破坏模式

由于崎岖地形（非平坦地表和非均匀地层）具有复杂的地震动空间变异性，对于该类场地效应的地震特异性所引发的结构差动损害尚无系统性的研究。为了深入研究崎岖地形下地震动空间效应对结构的影响，针对多层非均匀介质V形峡谷这种特殊地形，详细分析了V形场地下地震动频谱特性的影响因素（行波效应、相干效应和局部场地效应等），并模拟了相应的地震动输入；对一横跨V形峡谷的连续钢箱梁桥进行了有限元计算，对比分析了不同地震动输入和不同边界条件下结构模型的地震响应；探究了V形场地超大震作用下的桥梁破坏模式，计算出结构的薄弱部位，并着重对比了V形峡谷场地和平坦场地2种地形下的地震激励对结构破坏模式的影响差异，揭示了V形峡谷场地下的模拟多点地震输入特异性对桥梁的结构响应和破坏模式的特殊影响，发现同水平场地相比该类场地下的地震激励会在桥梁内部引发额外的差动内力，进而使桥梁破坏更早发生并改变了结构的破坏模式。结果表明：①V形峡谷场地极大地改变了地震波场中的散射波组成，且同水平场地地震激励相比，其对结构具有更强的空间差动效应，从而引发更大的差动内力；②与水平场地相比，V形峡谷场地地震动输入下的桥梁破坏发生时间较为提前，且初始破坏点并不相同，从而导致结构的破坏模式改变。     

跨越Ⅴ形峡谷桥梁多层介质效应的多点激励破坏模式

由于崎岖地形(非平坦地表和非均匀地层)具有复杂的地震动空间变异性,对于该类场地效应的地震特异性所引发的结构差动损害尚无系统性的研究。为了深入研究崎岖地形下地震动空间效应对结构的影响,针对多层非均匀介质Ⅴ形峡谷这种特殊地形,详细分析了Ⅴ形场地下地震动频谱特性的影响因素(行波效应、相干效应和局部场地效应等),并模拟了相应的地震动输入;对一横跨Ⅴ形峡谷的连续钢箱梁桥进行了有限元计算,对比分析了不同地震动输入和不同边界条件下结构模型的地震响应;探究了Ⅴ形场地超大震作用下的桥梁破坏模式,计算出结构的薄弱部位,并着重对比了Ⅴ形峡谷场地和平坦场地2种地形下的地震激励对结构破坏模式的影响差异,揭示了Ⅴ形峡谷场地下的模拟多点地震输入特异性对桥梁的结构响应和破坏模式的特殊影响,发现同水平场地相比该类场地下的地震激励会在桥梁内部引发额外的差动内力,进而使桥梁破坏更早发生并改变了结构的破坏模式。结果表明:①Ⅴ形峡谷场地极大地改变了地震波场中的散射波组成,且同水平场地地震激励相比,其对结构具有更强的空间差动效应,从而引发更大的差动内力;②与水平场地相比,Ⅴ形峡谷场地地震动输入下的桥梁破坏发生时间较为提前,且初始破坏点并不相同,从而导致结构的破坏模式改变。     

不同地震激励下大跨度斜拉桥的地震反应分析

考虑地震波的行波效应、部分相干效应和局部场地效应,建立了不同机制的地震激励下大跨度斜拉桥地震反应的分析方法并以正在建设的主跨1 018 m的香港某大跨度斜拉桥为例,数值仿真了大跨度斜拉桥在确定性地震波一致激励、行波激励以及随机地震动场多点激励下的地震反应。结果表明:与确定性地震波一致激励相比,在确定性地震波行波激励以及考虑空间变化的随机地震动场激励下,斜拉桥的纵向位移反应明显减小,而其主跨跨中竖向位移反应明显增大。由此得出结论:对于大跨度斜拉桥,一致地震激励不能控制其抗震设计,应考虑行波激励和随机地震动场多点激励对其地震响应的影响。     

非一致地震激励下大跨度斜拉桥空间响应分析

基于二维相干非一致激励功率谱模型，采用随机过程理论关于幅值、相位与功率谱的关系式，根据场地地震危险性评价和设计地震动参数合成人工地震波，考虑波动传播效应和多点激励效应，分析了某座跨长江的大跨度斜拉桥在地震激励下的空间非线性响应特性，计算了桥梁结构关键部位在地震力作用下的响应特性，并与一致激励下对应响应量进行比较。认为非一致激励下大跨斜拉桥关键部位的某些响应粱大幅增加。反应了进行非一致响应分析的必要性。     

非一致地震激励下大跨度斜拉桥空间响应分析

基于二维相干非一致激励功率谱模型,采用随机过程理论关于幅值、相位与功率谱的关系式,根据场地地震危险性评价和设计地震动参数合成人工地震波,考虑波动传播效应和多点激励效应,分析了某座跨长江的大跨度斜拉桥在地震激励下的空间非线性响应特性,计算了桥梁结构关键部位在地震力作用下的响应特性,并与一致激励下对应响应量进行比较,认为非一致激励下大跨斜拉桥关键部位的某些响应梁大幅增加,反应了进行非一致响应分析的必要性.     

非一致地震激励下大跨斜拉桥非线性响应计算

基于随机过程理论关于幅值、相位与功率谱的关系式,采用二维相干非一致激励功率谱模型,根据场地地震动参数合成人工地震波,考虑波动传播效应和多点激励效应,分析了某座跨长江的大跨度斜拉桥在地震激励下的空间非线性响应特性,计算了桥梁结构关键部位在地震力作用下的响应特性,并与一致激励下对应响应量进行了比较。认为非一致激励下大跨斜拉桥关键部位的某些响应量大幅增加,反应了进行非一致响应分析的必要性。     

非一致激励下大跨斜拉桥的随机地震响应分析

基于平稳随机地震动场理论,对大跨度斜拉桥进行非一致激励下的平稳随机地震响应分析。以金塘大桥主通航孔桥为研究对象建立有限元模型,采用多点平稳随机地震响应分析方法,数值仿真了该斜拉桥在纵桥向、横桥向和竖向多点激励下的地震响应,研究了地震动的空间变化,包括部分相干效应和行波效应以及视波速变化对大跨度斜拉桥地震响应的影响。数值分析结果表明：非一致激励下斜拉桥的内力和位移有较大改变,地震动的行波效应影响比部分相干效应的影响更大,地震动的空间变化对纵桥向激励有利,对横桥向激励影响较小,对竖向激励影响很大且不利。对大跨度斜拉桥,必须进行多点地震激励的响应分析。     

山区高墩桥梁的多点激励随机响应

为了研究山区高墩桥梁在地震动作用下的特殊抗震性能,基于随机振动理论,研究了场地效应、相干效应及行波效应对高墩桥梁在强地震多点激励下的随机响应规律,及墩高变化对高墩桥梁地震响应规律的影响.研究表明:场地效应对高墩桥梁地震响应影响明显,软场地墩的位移值约为硬场地的12倍,行波效应的影响次之,相干效应的影响最小.场地效应对桥梁的影响大小取决于场地卓越频率是否接近于桥梁自振频率;行波效应是不可忽略的一个重要因素,中场地时桥墩最小的位移值约为最大值的30％,软场地时最小值约为最大值的60％;与场地效应和行波效应相比,部分相干效应对桥墩顺桥向位移影响较小.对于山区高墩桥梁随机地震响应分析,考虑地震动空间效应的多点激励分析是必要的.应对有可能的桥型(不同墩高和墩高差)进行分析,以确定地震力最小的桥型并注意桥梁截面抗力的提升和附加减震措施.     

大跨度斜拉桥随机地震响应分析

为分析地震动空间效应对大跨斜拉桥的地震动响应的影响,采用绝对位移求解的虚拟激励法结合通用有限元软件对大跨度斜拉桥进行多维多点地震动输入的随机地震响应分析,从响应功率谱角度分析了在多维多点作用下结构的地震响应规律,结果表明:1)行波效应对结构位移和内力有利;2)局部场地效应对结构响应的影响与结构边界条件和刚度有关。     

黏滞性阻尼器对千米级斜拉桥纵向减震效果的振动台试验研究

为了研究千米级斜拉桥纵向采用黏滞性阻尼器的减震效果,以一座主跨1 088 m的斜拉桥为工程背景,按相似理论设计制作了一座几何缩尺比为1：35的全桥振动台试验模型,通过改变塔梁间的连接方式,建立了塔梁间纵向无约束的非减震体系和塔梁间纵向采用黏滞性阻尼器的减震体系,选用4条具有代表性的地震动进行了4个振动台纵向一致激励的全桥振动台试验,然后将不同地震动输入下2种体系的试验结果进行对比分析。试验结果表明：千米级斜拉桥纵向无约束体系的地震响应受输入地震动的特性影响较大,对于长周期成分丰富,特别是对应于结构一阶周期的加速度谱和位移谱谱值较大的地震动,结构的地震响应较大;千米级斜拉桥非减震体系的地震响应同样也受输入地震动特性的影响较大;纵向采用黏滞性阻尼器的减震体系可以减小结构的梁端位移、塔顶位移以及塔底钢筋应变,但输入地震动的特性会影响黏滞性阻尼器的减震效果,对于特征周期较长、长周期成分丰富的地震动,黏滞性阻尼器的减震效果较好,而对于有明显速度脉冲的地震动,黏滞性阻尼器的减震效果相对较差,当地震动峰值加速度PGA为0.4g时,在场地人工地震动、Loma Prieta地震动作用下,梁端最大位移分别减小了62.41%、37.75%;对于有明显速度脉冲的地震动,需要选择阻尼系数更大的黏滞性阻尼器。     

考虑河谷场地效应的大跨度拱桥的地震响应分析

为研究V型河谷场地效应对大跨度钢管混凝土拱桥的地震响应影响,以某大跨度钢管混凝土拱桥为工程背景并简化V型河谷场地模型,建立河谷-拱桥有限元模型,讨论在SV波作用下对桥梁的地震响应影响。结果表明:由于地震荷载是均匀作用在场地,且河谷-拱桥有限元模型是轴对称模型,因此得到的拱桥主拱圈的内力和位移响应趋势是对称分布;不同地震波作用下得到的主拱圈内力和位移响应大小不同,这和拱桥拱脚与场地连接部位的地震动强度和地震波的频谱特性有关;在进行桥梁抗震设计时,SV波作用下拱桥关键部位应重点关注。     

跨断层地震动及其对桥梁结构影响研究进展

与常规地震动激励的情况相比，跨断层地震动作用下桥梁结构具有更复杂的动力响应、更大的地震需求以及更严重的地震损伤。伴随着川藏铁路等超级基础工程的开工建设，越来越多的桥梁具有跨越潜在断层的风险，相关研究亟待开展。从跨断层桥梁震害出发，首先阐述了近/跨断层地震动的基本特性并介绍了相关模拟方法，然后综述了跨断层桥梁抗震分析理论、数值模拟和模型试验等研究的相关进展，进而归纳了考虑跨断层地震动作用的应对策略。结果表明：现有的跨断层地震动模拟方法合理可行，但存在一定的应用条件和改进空间；跨断层桥梁研究对象大多为中小跨径梁桥，其地震响应和损伤破坏模式受断层类型、跨越位置、跨越角度、永久位移等多因素影响；针对跨断层桥梁的减隔震和防落梁限位措施等技术得到初步发展。最后展望了未来跨断层桥梁抗震研究的发展方向，主要包括：发展更为精确、高效的跨断层地震动模拟技术；开展大跨径桥梁的跨断层振动台台阵试验及倒塌数值模拟研究；突破跨断层桥梁振动台台阵试验技术瓶颈；明确跨断层地震动参数对不同类型桥梁结构地震损伤机理的影响规律；进一步发展相应的减隔震技术、防落梁措施以及韧性防控技术，并进行试验验证等。     

桩-土-结构相互作用对大跨度连续刚架钢桁拱桥地震响应影响研究

以广州新光大桥为例,研究软弱分层土、较软分层土、较硬分层土和岩石地基与群桩相互作用下大跨度连续刚架钢桁拱桥动力特性以及地震响应。研究表明在各种地震时程激励下,不同地基土对大跨度连续刚架钢桁拱桥拱肋以及V形刚架的内力和位移影响很大。随着地基土刚度的增加,在横桥向、顺桥向和竖向地震激励下,主拱肋和边拱肋上弦杆、V形刚架靠边跨斜腿轴力基本呈递减趋势,而V形刚架面内和面外弯矩随地基土刚度变化的规律性不强。     

多点激励下地震动输入模式探讨及有限元软件实现方法研究

进行大跨度结构的地震响应分析时,需要考虑地震动多点非一致激励的影响。基于动力学平衡方程,进一步推导多点激励地震响应分析的位移输入模型和加速度输入模型。进一步提出3种能适用于现有通用有限元软件的多点地震动输入模型的实现方法——大质量法、大刚度法及直接位移法,并细致阐明各种方法的计算原理。最后,以某主跨为850m的悬索桥为工程背景,基于SAP2000软件平台,分别采用不同方法进行多点激励地震响应分析,并简单分析大跨悬索桥在多点地震响应下的响应规律。     

大跨度悬索桥地震行波效应分析

大跨度悬索桥由于各墩柱基础所处地质条件的差异,不同墩柱间的地震动输入存在时间差,结构考虑了行波效应的地震响应可能与一致激励得到的不同。为了研究大跨度悬索桥的行波效应,以某长江大桥为研究对象,分别采用一致激励和非一致激励地震动时程输入,分析结果表明,在不同视波速时结构内力变化不太显著,但对梁端纵向位移较为敏感,相比在一致激励作用下,考虑了行波效应的结构地震响应较小。     

灌河大桥抗震性能研究

斜拉桥的抗震设计目前还比较困难,没有规范可以遵循。本文以灌河大桥为例,阐明斜拉桥抗震研究的全过程,包括抗震设防标准的选择、计算模型的建立、动力特性分析、地震动输入的选择、地震反应分析、抗震验算以及抗震措施探讨,并同时对地震动的长周期问题进行了探讨。