旋转式摩擦阻尼器滞回性能及其在多阶段抗震中的应用

为了满足多水准设防的需求，提出一种具有变滞回特性功能的新型旋转式摩擦阻尼器(VH-RF),将其应用于桥墩结构中并验证其分阶段抗震性能。首先阐述了新型阻尼器的基本构造，揭示了工作机理与变滞回原理，建立了新型阻尼器的简化分析模型。然后基于ABAQUS有限元软件建立了新型阻尼器的实体有限元模型，并根据新型阻尼器的有限元模型分析以及简化分析模型，系统地研究了新型阻尼器的滞回性能及影响规律。最后在OpenSees软件中二次开发了新型阻尼器的恢复力模型，基于新型阻尼器优良的滞回性能，将其应用于双柱式桥墩中实现结构的分阶段抗震。结果表明：(1)VH-RF能够在不同变形时呈现出不同的滞回特性，小变形时具有稳定的耗能能力，大变形时不仅具有耗能能力还具有优良的自复位功能，VH-RF的简化分析模型和数值模拟结果吻合良好；(2)通过调整VH-RF设计参数，可有效实现调节VH-RF滞回性能的目的，具有良好的性能可调节性；(3)在双柱式桥墩中附加VH-RF可有效实现分阶段抗震的目的，进而提升桥梁结构抗震韧性。     

内置SMA杆节段拼装桥墩抗震性能分析

为研究超弹性材料SMA在预制节段拼装桥墩中的应用和抗震性能,基于SMA材料循环拉伸试验和预制节段拼装自复位桥墩试验,运用OpenSees有限元软件建立内置SMA杆预制节段拼装自复位(Shape memory alloy self-Centering,SMA-SC)桥墩数值模型,通过拟静力分析,对比RC柱和含耗能钢筋自复位(Energydissipation bars self-Centering, ED-SC)桥墩的骨架曲线、残余位移曲线、耗能曲线,揭示内置SMA杆自复位桥墩具有较小的残余位移和良好的耗能能力。     

耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能研究

为了提升梁式桥结构的抗震性能,提出了新型耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座(SCSLRB),并基于形状记忆合金(SMA)滞回特性提出了耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座隔震桥梁减隔震参数设计方法。首先,基于OpenSees平台分别建立耗能型滑移铅芯橡胶支座(EDSLRB)与形状记忆合金索的数值模型,分析了往复荷载作用下的滞回响应,并与试验结果进行了对比,验证了数值模型的准确性,进一步建立了耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座数值模型。在此基础上,选取某3跨隔震连续梁桥,采用提出的减隔震参数设计方法,对耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座参数进行了优化设计,并基于支座最优参数进一步研究了减隔震参数设计方法的适用性与耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座隔震桥梁的抗震性能。结果表明：新型耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座参数设计方法可有效得到隔震系统的最优参数;基于最优参数的新型耗能型自复位滑移铅芯橡胶支座隔震桥梁的自复位与耗能性能显著提升,能够实现主梁峰值位移、支座残余位移与桥墩地震剪力、弯矩的双重有效控制。其中,主梁峰值位移减幅达18.5%,支座残余位移显著减小,桥墩墩底剪力最大增幅仅为8.3%,支座耗能最大增幅达14.8%。研...     

新型SCEB力学性能及其在双柱式桥梁结构中的应用

基于结构"保险丝"概念和减小残余位移的目的,提出采用自复位耗能支撑(SCEB)应用于双柱式桥梁结构的设计理念。首先提出一种新型SCEB-自复位防屈曲支撑,阐明其工作机理并通过试验验证了其力学性能;然后基于新型SCEB的力学性能,建立附加SCEB双柱式桥墩结构的恢复力模型,并给出双柱式桥墩结构中新型SCEB的设计方法,通过合理设计SCEB使其先于桥墩屈服并耗能,可减小主体结构墩身的地震损伤,并且能够有效控制桥梁结构震后的残余位移;最后基于OpenSees软件平台,验证SCEB应用于双柱式桥梁结构中的可行性和有效性,并对附加新型SCEB的双柱式桥梁结构进行抗震性能分析。新型SCEB试验结果验证了合理的设计能够实现新型支撑具有稳定的耗能能力和良好的自复位功能,其力-位移滞回曲线呈明显的旗帜形特征;数值模拟结果不仅验证了附有"保险丝"构件的新型耗能桥梁结构的抗震性能优于传统横系梁桥梁结构,还验证了SCEB作为"保险丝"附加在桥梁结构中的有效性;附加新型SCEB的双柱式桥梁结构与附加传统BRB双柱式桥梁结构相比,在提高桥梁结构横向刚度的同时,对桥墩主体结构具有更好的保护作用和耗能能力,特别是能够减小甚至消除桥梁结构的残余位移。     

外置耗能器对自复位预制RC桥墩抗震性能的影响研究

以中国已建成的首座震后自复位桥梁-京台高速（北京段）黄徐路跨线桥为背景,结合自复位结构和装配式结构的特点,发展自复位预制RC桥墩新型结构。设计并制作对桥墩抗侧强度贡献率分别为0,20%及40%的3组外置耗能部件,并对3组自复位桥墩进行水平拟静力往复试验研究。通过桥墩变形和损伤演化过程、力-位移滞回曲线、骨架曲线、试件耗能能力、预应力筋张拉力变化、残余位移、接缝开口和受压区高度变化等评估自复位预制RC桥墩的抗震性能及外置耗能器对其影响。研究结果表明：外置耗能器耗能段均出现明显的高阶屈曲形态,耗能作用明显,附加外置耗能器自复位桥墩的滞回曲线呈明显的“旗帜”形;耗能器的抗侧强度贡献率越高,墩柱的滞回曲线越饱满,墩柱的耗能能力和抗侧承载力也明显提高;加载至偏移率3.5%时,自复位预制墩柱抗侧承载力无明显下降,表现出良好的延性性能;随墩顶水平位移增加,墩柱内轴向预应力筋张拉力基本呈线性增加,建议墩内竖向预应力筋初始张拉力不超过名义屈服强度的70%;为保证自复位墩柱具有较小的残余位移,建议附加外置耗能器对桥墩的抗侧贡献率不宜超过40%。研究可为自复位预制RC桥墩的结构设计、数值模型验证和工程实践提供参考。     

不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性能试验

为探讨预制拼装钢管混凝土桥墩抗震力学性能,充分发挥预制拼装钢管混凝土桥墩的抗震能力,以实际桥墩为参考,考虑不同拼装接缝形式、耗能钢筋配筋率和预应力轴压比等参数,设计和制作了6个摇摆式预制拼装预应力钢管混凝土桥墩和2个对比墩（1个摇摆式预应力钢筋混凝土墩和1个承插式预应力钢管混凝土墩）,共8个缩尺模型。采用拟静力试验方法,结合数值模拟揭示预应力预制拼装钢管混凝土桥墩的延性能力、自复位性能、滞回耗能特性、破坏模式和破坏机理。试验结果表明：对于2种构造下的钢管混凝土桥墩,摇摆式桥墩因其可发生一定范围内摇摆,并设置预应力筋和耗能钢筋,使其延性与耗能能力更加优异;在墩底设置UHPC座垫层,加载过程中其对承台的破坏相对较小,提高了桥墩的损伤容限;在相同的目标位移下,摇摆式试件残余位移小于承插式试件,表明摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩拥有良好的自复位特性;对于摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩,增大耗能钢筋配筋率,使得试件损伤状态出现滞后,耗能能力增强,减轻墩底接缝破坏程度,同时使得残余位移增大;增大预应力轴压比,其约束试件变形的自复位能力进一步增强,使试件残余位移减小,有利于桥墩在震后功能的快速恢复;通过建立各试件的有限元纤维模型,进一步验证了试验结果的准确性。研究成果可为后续预制拼装钢管混凝土桥墩的设计与应用提供试验基础。     

基于摇摆机械铰连接的自复位桥墩抗震性能研究

为减少自复位桥墩的摇摆界面可能由压力造成的混凝土压碎和预应力损失，同时加快预制桥墩与承台的连接速度，基于某采用钢筋提供耗能能力及恢复力的可恢复铰(简称RH铰),提出一种新型摇摆机械铰。该新型摇摆机械铰(简称摇摆铰)首先将RH铰的普通钢筋改为无粘结预应力筋和U形耗能器，分别为桥墩系统提供自复位能力和耗能能力，形成球形机械铰(简称球形铰),再增大支点与墩中心线的距离使重力提供稳定力矩。对该摇摆铰与球形铰结构构造进行对比分析，推导摇摆铰桥墩和球形铰桥墩的荷载～位移关系，对比2种桥墩的滞回曲线，并以某四跨连续梁桥为背景，采用非线性时程分析方法对比分析采用摇摆铰和球形铰桥梁的地震响应。结果表明：摇摆铰桥墩的滞回曲线呈典型的旗帜形，而球形铰桥墩的滞回曲线可用弹塑性曲线表示；在相同条件下，摇摆铰桥墩比球形铰桥墩具有更强的水平承载能力和自复位能力；与采用球形铰的桥梁相比，采用摇摆铰的桥梁中墩处主梁峰值位移更大，中墩墩底剪力相近，残余位移更小，自复位性能更优。     

节段拼装桥墩拟静力试验研究

采用拟静力试验方法比较承插式和节段式两种预制拼装桥墩在循环荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力、残余变形和墩柱曲率分布的异同。试验结果表明：预应力筋提高了构件的自复位能力,而耗能能力降低;承插式构件破坏形态是弯曲为主的延性破坏,骨架曲线具有强度稳定段,水平抗力和耗能能力较优;节段式构件集中在节缝区域破坏,残余位移比承插式构件小得多。     

干接缝形状对节段拼装桥墩抗震性能的影响分析

为研究无粘结预应力筋连接的干接缝节段拼装桥墩在水平向低周往复位移荷载作用下的抗震性能和不同接缝形状的影响,建立了平面接触型和干接承插型两种接缝形式的实体有限元模型。其中混凝土采用损伤塑性模型,普通钢筋和预应力筋采用双折线模型,接缝处采用库仑摩擦模型。进行非线性时程分析,发现桥墩主要依靠接缝交替张开闭合提供水平变形能力,墩柱的破坏主要由底层节段混凝土压坏引起。通过两模型滞回特性、骨架曲线、延性性能和残余变形的对比,发现采用干接承插型接缝的桥墩与采用平面接触接缝的桥墩相比,最大承载力与耗能能力相当,但强度稳定段长,延性较好,残余位移也较小,具有更好的抗震性能。     

自复位双柱式摇摆桥梁抗震设计方法及工程应用

为发展具有损伤可控特性和自复位能力的摇摆结构新型桥梁抗震体系,对自复位双柱式摇摆桥梁的抗震设计方法及其工程应用进行研究。在摇摆桥墩受力机理和旗帜形滞回分析模型基础上,提出其在消压、屈服和设计极限状态的计算方法,并给出限定残余位移侧移率小于1%的回复能力验算公式。考虑到摇摆桥墩的力学行为和变形特点,提出直接基于位移的摇摆桥梁结构抗震设计方法,给出设计原则及具体的设计步骤,并把该方法成功应用到黄徐路跨线桥梁抗震设计中。在此基础上,数值分析不同设计地震作用下摇摆桥梁结构的性能状态及其性能指标,并介绍了中国首座自复位摇摆桥梁工程——黄徐路摇摆桥梁工程实践,展示了实桥应用中的一些抗震构造细节。研究结果表明:提出的验算公式可为设计计算提供充分的理论依据;E1地震作用下耗能钢筋没有屈服且具有较高的安全储备;在E2地震作用下,随着桥梁发挥摇摆功能,摇摆桥墩刚度减小,地震力增幅变小,有效实现了结构减震功能,且震后桥墩残余位移较小,可忽略不计,实现了结构自复位功能,满足了既定的抗震设计目标。     

承插式连接预制拼装桥墩抗震性能试验研究

为研究不同连接构造、轴压比和承插深度对承插式连接预制拼装桥墩(简称“承插式桥墩”)抗震性能的影响,制作1组现浇桥墩试件和3组承插式桥墩试件开展拟静力试验。对比试件破坏模式、滞回曲线、骨架曲线及特征值、耗能能力、刚度特性和残余位移、纵筋应变,分析承插式桥墩与现浇桥墩抗震性能差异以及增设钢榫进行结构优化后桥墩抗震性能改善效果。结果表明：承插式桥墩与现浇桥墩试件破坏模式、损伤范围、承载能力、耗能能力、残余位移和钢筋应变沿梁高分布相近;提高承插式桥墩轴压比,能提高桥墩承载能力,降低延性和累积耗能能力,破坏时残余位移远小于其它构件,具有可靠的自复位能力;提高承插深度,会增大桥墩承载能力和耗能能力;墩底增设钢榫能增强承插式桥墩与承台间的连接,承载能力、延性、耗能能力等与承插式和现浇桥墩保持一致,但各加载位移下的累积耗能较高,有助于提高承插式桥墩的耗能能力,具有良好的抗震性能。     

超高强-普通钢筋混合配筋节段拼装桥墩抗震性能分析

为实现预制节段拼装桥墩(PSBC)震时动力性能与震后功能性的同步提高,提出将超高强钢筋与普通钢筋同时作为贯通各节段的纵向主筋,并通过拟静力试验初步验证了该混合配筋PSBC设计理念的有效性。在试验研究基础上,建立混合配筋PSBC纤维模型,开展有限元分析,揭示超高强钢筋屈服强度和混配比例对此新型桥墩抗震性能与自复位能力的影响规律。研究结果表明,在PSBC中混合配置超高强的精轧螺纹钢筋与普通热轧带肋钢筋,可有效提高PSBC的自复位能力和位移延性,并保持滞回耗能能力基本不变。     

设置防屈曲支撑的自复位双柱墩抗震性能研究

基于可恢复功能设计理念,利用防屈曲支撑的耗能能力强、便于更换及自复位桥墩震后残余位移小等优点,提出一种设置防屈曲支撑自复位双柱墩。同时以Opensees软件模拟此双柱墩,并通过与相应的试验数据进行对比,验证了模拟方法的正确性。以初始刚度、残余位移等为评价指标,对比研究设置防屈曲支撑的自复位双柱墩与未设置防屈曲支撑的自复位双柱墩、普通混凝土双柱墩的抗震性能。之后,建立防屈曲支撑与自复位双柱墩的刚度比,分别为0.25、0.50和0.75,对比研究不同刚度比对自复位双柱墩抗震性能的影响。结果表明:设置防屈曲支撑的自复位双柱墩与未设置防屈曲支撑的自复位双柱墩相比,初始刚度、承载能力、耗能能力均有明显的提高;与普通混凝土双柱墩相比,残余位移降低近83%,自复位能力较强。设置防屈曲支撑的自复位双柱墩的耗能能力随着刚度比的增大而提高,最大残余位移也随着刚度比的增大而增加,自复位能力降低。     

波纹管连接装配式桥墩抗震性能拟静力试验与数值模拟（双语出版）

为研究采用灌浆波纹管连接的装配式桥墩与整体现浇桥墩在抗震性能方面的差异,探究地震作用下预制拼装双柱桥墩的力学性能,分析节点的破坏机理,通过拟静力试验获得了灌浆波纹管连接预制拼装装配式桥墩与整体现浇桥墩的位移滞回曲线,并通过对试件进行位移延性分析、耗能能力分析及残余位移分析,对比研究灌浆波纹管连接装配式桥墩与现浇桥墩的抗震性能。研究结果表明：①灌浆波纹管试件与整体现浇试件的试验现象基本一致,装配式试件较整体现浇试件最大承载力降低6.7%;②二者屈服荷载与极限荷载误差均不超过10%,二者屈服位移相同但装配式试件较现浇试件的极限位移降低3%,灌浆波纹管试件的延性系数小于整体现浇试件;③两试件最大残余位移均在55 mm左右,但在相同滞回位移下,灌浆波纹管试件残余位移的产生速率大于现浇试件;④通过积分法对二者耗能能力进行比较,当滞回位移达到80 mm时二者耗能差值最大,为10.87 kN·m,达到最大位移时灌浆波纹管试件比现浇试件总的耗能能力小10%左右。可见在同样的设计参数情况下,保证装配式桥墩拼装接头的强度可靠性,基本能够达到现浇桥墩所要求的各项性能。     

波纹管连接装配式桥墩抗震性能拟静力试验与数值模拟

为研究采用灌浆波纹管连接的装配式桥墩与整体现浇桥墩在抗震性能方面的差异,探究地震作用下预制拼装双柱桥墩的力学性能,分析节点的破坏机理,通过拟静力试验获得了灌浆波纹管连接预制拼装装配式桥墩与整体现浇桥墩的位移滞回曲线,并通过对试件进行位移延性分析、耗能能力分析及残余位移分析,对比研究灌浆波纹管连接装配式桥墩与现浇桥墩的抗震性能。研究结果表明:①灌浆波纹管试件与整体现浇试件的试验现象基本一致,装配式试件较整体现浇试件最大承载力降低6.7%;②二者屈服荷载与极限荷载误差均不超过10%,二者屈服位移相同但装配式试件较现浇试件的极限位移降低3%,灌浆波纹管试件的延性系数小于整体现浇试件;③两试件最大残余位移均在55 mm左右,但在相同滞回位移下,灌浆波纹管试件残余位移的产生速率大于现浇试件;④通过积分法对二者耗能能力进行比较,当滞回位移达到80 mm时二者耗能差值最大,为10.87 kN·m,达到最大位移时灌浆波纹管试件比现浇试件总的耗能能力小10%左右。可见在同样的设计参数情况下,保证装配式桥墩拼装接头的强度可靠性,基本能够达到现浇桥墩所要求的各项性能。     

主余震作用下阻尼比对钢筋混凝土墩柱的抗震性能研究

主震之后往往伴随着大量的余震，余震对结构的影响可能大于主震。文章以钢筋混凝土桥墩为研究对象，利用OpenSees软件建立纤维单元有限元模型，以实际记录的主余震地震波进行主震、主-余震非线性时程分析，对阻尼比分别为0.03、0.05、0.07、0.09、0.11的桥墩进行滞回曲线、最大位移、耗能及残余位移对比。研究结果表明：随阻尼比的增加，墩柱的自由衰减逐渐加快，桥墩在地震过后自由衰减是围绕损伤桥墩静平衡位置发生的，余震引起桥墩的位移需求均大于主震；阻尼比的增大不仅有利于改善桥墩抵抗主震的能力，对于抵抗余震的能力也有一定的提高。然而，主震、主余震作用下墩柱对于剪力的需求基本不变。桥墩滞回曲线的耗能随阻尼比的增加逐渐减小，主余震作用下桥墩的耗能大约为主震的一倍，对于耗能能力差的结构，余震的影响可能更大，余震引起的损伤主要是通过滞回耗能增加了桥墩的损伤。桥墩在主余震作用下残余位移均相差不大，余震不仅可以增加桥墩的残余位移，也可能存在反方向地震力而使桥墩残余位移减小。工程中可以通过增加阻尼器来增强桥墩抵御余震的影响。     

外置角钢摇摆-自复位双柱墩抗震性能分析

针对预制-拼装结构的施工优势、摇摆-自复位结构的抗震优点及角钢的特性,提出含角钢的摇摆-自复位双柱墩和含角钢及耗能钢筋的摇摆-自复位双柱墩。基于OpenSees数值平台建立了这2种双柱墩的精细化数值分析模型,分别结合角钢的循环拉压试验以及摇摆-自复位双柱墩的拟静力试验结果验证了模型的准确性。在此基础上,通过拟静力和动力时程分析,并通过与普通钢筋混凝土双柱墩的对比,揭示了新型摇摆-自复位双柱墩的抗震能力。结果表明:与普通双柱墩相比,摇摆-自复位双柱墩侧向初始刚度减少,自振周期增大;在0.4g近断层地震动下预应力筋始终处于弹性阶段且桥墩震后几乎无残余位移,便于双柱墩的震后功能恢复;外置角钢在0.1g近断层地震动下屈服并开始耗能,在0.4g近断层地震动下可能发生拉断破坏;在摇摆-自复位双柱墩接缝处配制一定的耗能钢筋后(配筋率小于0.4%),可降低墩顶变形,减少预应力筋应力和外置角钢的变形,且摇摆-自复位双柱墩的震后残余位移未明显增加。     

近、远场强震下RC连续梁桥损伤及滞回耗能特性对比研究

以某高速公路RC连续梁桥为对象,建立可考虑桥墩非线性力学行为的全桥有限元数值模型,挑选典型近断层和远场强震记录,采用非线性时程积分方法并自编程序提取关键指标,对比分析了两类地震下频谱、峰值加速度(PGA)、持时等要素对滞回耗能、结构损伤的量值及其分布的影响规律。研究表明,地震动频谱特性对于结构地震响应有显著影响,PGV/PGA越大,会导致滞回耗能和损伤的显著增加;在同样的PGA和持时水平下,近场地震下桥墩各部位的滞回耗能及损伤均明显大于远场,且损伤沿桥墩出现的高度更大;在靠近墩底的一定范围内,近场地震下的滞回耗能和损伤所占比例小于远场,而在该区域以上则大于远场,表明近场地震下桥墩滞回耗能和损伤沿墩高的分布更加均匀。对比发现,近场地震对桥梁结构提出了更高的耗能和变形需求,且向桥墩上部延伸更加明显,对桥梁抗震设计提出了更高的要求。     

后张预应力节段拼装CFST桥墩抗侧力学行为试验

为发展绿色、高效及可恢复功能的新型预制装配式桥梁结构体系,提出将钢管混凝土(CFST)应用于后张预应力节段预制拼装桥墩的结构形式。介绍了后张预应力节段拼装CFST桥墩关键构造、受力状态及力学行为特征,建立其关键部件设计方法。设计并加工制作了试验模型试件,开展了轴心后张预应力节段拼装CFST桥墩侧向往复加载拟静力试验,揭示了其水平往复加载过程中的滞回行为、骨架曲线、预应力损失、耗能能力、节段间接缝张口、节段间接缝滑移及塑性铰发展等非线性力学行为。研究结果表明:该后张预应力节段拼装CFST桥墩具有较高的抗侧能力和良好的自复位性能,侧向承载能力失效时残余偏移率为0.2%;水平往复位移将会造成较大的预应力损失,失效时即水平最大位移偏移率5.8%时,预应力损失约15%;节段预制拼装CFST墩柱出现双塑性铰效应,底部接缝开口较大,其上相邻接缝处开口量显著减小;试验后接缝处没有出现显著水平移位或错动现象,预制节段墩身没有出现明显外观损伤,底部接缝处应力集中区域钢管内少量混凝土破碎,导致钢管局部屈服;无附加耗能装置的后张预应力节段拼装桥墩耗能能力较差,建议在接缝开口处附设耗能装置。研究成果可为自复位预制拼装CFST桥墩设计和性能优化提供重要参考。     

新型桥墩模型在钢筋混凝土桥梁结构中的应用研究

为了研究新型钢筋混凝土自复位桥墩模型,该文基于传统的重力式桥墩模型,提出两种分别设置有自复位弹簧与高阻尼橡胶支座的新型摇摆自复位桥墩,通过设计对应模型的振动台试验,对地震荷载作用下,两种不同形式的自复位桥墩与传统桥墩的地震荷载响应进行了分析,结果表明:与传统的重力式桥墩相比,在同种烈度的地震波作用下,新型钢筋混凝土自复位桥墩模型在应力响应以及加速度响应方面都有所降低,但是墩顶水平位移响应较大,表明这两种自复位桥墩模型具有良好的减隔震性能;与设置自复位弹簧的钢筋摇摆自复位桥墩相比,设置高阻尼橡胶支座的自复位桥墩加速度以及应力响应更小,但位移响应相对较大,高阻尼橡胶支座的摇摆自复位桥墩是一种更为理想的摇摆自复位结构形式。