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动轴力作用下桥墩抗震性能及计算模型研究

动轴力作用下桥墩抗震性能及计算模型研究

作者：殷平浙江大学

学位级别：硕士

桥墩作为桥梁结构中重要的竖向承重结构及抗侧力构件,其抗震性能将直接影响到桥梁整体的抗震安全。迄今为止,已经有许多学者对常轴力条件下的钢及混凝土桥墩的抗震性能做了大量研究,结果表明,轴力会对桥墩的抗震性能及地震反应产生较显... 详细信息

桥墩作为桥梁结构中重要的竖向承重结构及抗侧力构件,其抗震性能将直接影响到桥梁整体的抗震安全。迄今为止,已经有许多学者对常轴力条件下的钢及混凝土桥墩的抗震性能做了大量研究,结果表明,轴力会对桥墩的抗震性能及地震反应产生较显著的影响。但是,考虑动轴力影响的研究目前还较欠缺。为了明确动轴力对桥墩抗震性能及地震反应的影响,本文采用能考虑桥墩轴力变化的纤维模型及传统的集中塑性铰模型对桥墩进行数值分析,主要进行了以下工作： 1)运用集中塑性铰模型和纤维模型,对常轴力作用下钢筋混凝土桥墩地震反应特性进行了数值分析,比较了两种模型计算地震反应的差异,并讨论了轴压比、配筋率、配箍率及塑性铰长度的影响。 2)以一实际钢筋混凝土连续刚构桥为例,分别建立了塑性铰模型及纤维模型,考察了连续刚构桥地震中轴力变化的规律,比较了两种模型地震反应结果的差异,并分析了产生差异的原因,通过比较讨论了轴力变化、竖向地震及近场地震对刚构桥墩地震反应的影响,分析了动轴力对不等高刚构桥墩地震反应的影响 3)利用通用有限元分析软件Abaqus建立钢桥墩板壳元模型,进行了常轴力作用下水平单调递增荷载和水平反复荷载分析,讨论了不同轴压比作用下钢桥墩的抗震性能,初步讨论了规则变化轴力对钢桥墩抗震性能的影响。由此,得出如下主要结论： 1)在恒定的轴力作用下,仅当桥墩进入强非线性时,塑性铰模型和纤维模型墩顶最大位移会产生较大差异,但墩底最大弯矩差异始终很小 2)动轴力对等高桥墩墩顶最大位移和墩底最大弯矩的影响并不大,但对不等高桥墩地震反应影响较大。因此对不规则的刚构桥进行抗震分析时,应考虑动轴力的影响。 3)动轴力对钢桥墩抗震性能有较大影响,在动轴力作用下,钢桥墩承受水平反复荷载时,墩底滞回曲线正反向不对称,随着轴压比变化范围的增大,不对称程度增大,桥墩在反向加载时的承载力都大于正向加载时的承载力。动轴力对极限压应变有影响,在钢桥墩的抗震分析中需要考虑动轴力的影响。

关键词：钢筋混凝土桥墩钢桥墩抗震性能地震反应动轴力塑性铰模型纤维模型板壳元模型

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单双柱式桥墩横桥向抗震性能对比分析

振动与冲击 2023年第24期42卷 69-80页

作者：董慧慧刘涛韩强杜修力北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

为对比分析单双柱式桥墩横桥向的抗震性能。首先明确了两者的主要差异为墩柱边界约束条件不同以及有无动轴力,然后根据简化计算方法推算出了单双柱式桥墩的弹性阶段性能参数的关系,最后基于有限元模型探讨了动轴力对双柱式桥墩单根墩柱... 详细信息

为对比分析单双柱式桥墩横桥向的抗震性能。首先明确了两者的主要差异为墩柱边界约束条件不同以及有无动轴力,然后根据简化计算方法推算出了单双柱式桥墩的弹性阶段性能参数的关系,最后基于有限元模型探讨了动轴力对双柱式桥墩单根墩柱滞回曲线的影响,并对比分析了单双柱式桥墩(双柱式桥墩有效高度为单柱式桥墩2倍)的滞回性能参数以及塑性铰区。结果表明:动轴力的存在使双柱式桥墩中单根墩柱的滞回曲线表现出不对称性,而动轴力对两根墩柱滞回曲线的影响互为消长,致使双柱式桥墩横桥向整体的滞回曲线呈现出对称性;单双柱式桥墩的弹性阶段性能参数关系可通过理论进行推算,在塑性阶段,单双柱式桥墩的滞回性能参数之间成比例关系;然而,单双柱式桥墩的塑性铰区长度以及屈服后截面曲率均存在较大差异。

关键词：双柱式桥墩动轴力滞回性能塑性铰区简化计算

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双柱墩弹塑性位移能力简化计算方法

同济大学学报（自然科学版） 2014年第4期42卷 513-519页

作者：沈星叶爱君王晓伟同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

在目前单柱墩延性能力研究的基础上,通过分析动轴力和塑性铰机制对双柱墩弹塑性位移能力的影响,得出双柱墩弹塑性位移能力简化计算方法,并对该简化计算方法进行误差分析.结果表明：双柱墩墩顶简化计算屈服位移较推倒（Pushover）分析的... 详细信息

在目前单柱墩延性能力研究的基础上,通过分析动轴力和塑性铰机制对双柱墩弹塑性位移能力的影响,得出双柱墩弹塑性位移能力简化计算方法,并对该简化计算方法进行误差分析.结果表明：双柱墩墩顶简化计算屈服位移较推倒（Pushover）分析的屈服位移略大;当双柱墩轴压比为5％～20％、长细比为5～10时,简化计算破坏位移误差在20％内.随着长细比的增加和轴压比的减小,简化计算墩顶破坏位移小于Pushover分析的破坏位移,因此该简化计算方法的结果是偏安全的.

关键词：双柱墩动轴力塑性铰机制推倒(Pushover)分析弹塑性位移能力

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地震激励下铁路钢桁拱桥拱圈内力及应力分布

铁道工程学报 2021年第3期38卷 35-40页

作者：张永亮刘海波陈兴冲刘聪聪兰州交通大学兰州730070

研究目的:为研究地震激励下大跨钢桁拱桥拱圈内力及应力分布特征,以某490 m上承式钢桁拱桥为研究对象,采用Midas/civil软件建立全桥有限元模型,系统分析恒载与地震作用下拱圈弦杆内力与应力的分布规律、量值比例关系以及抗震薄弱部位等... 详细信息

研究目的:为研究地震激励下大跨钢桁拱桥拱圈内力及应力分布特征,以某490 m上承式钢桁拱桥为研究对象,采用Midas/civil软件建立全桥有限元模型,系统分析恒载与地震作用下拱圈弦杆内力与应力的分布规律、量值比例关系以及抗震薄弱部位等内容。研究结论:(1)罕遇地震激励下,上弦杆在拱脚区域、下弦杆在拱顶区域会产生较大的动轴力量值,这是使大跨拱桥震害破坏现象向极端性发展的重要因素之一;(2)对于上弦杆,弯矩分布图形呈多峰值状特征,且峰值点与拱上立柱的位置相对应;(3)上弦杆在横+竖向地震作用下,承受较大的轴力和面内、面外弯矩,体现出明显的空间耦合特性;(4)下弦杆为拉压构件,轴力是主要控制内力分量;上弦杆在某些区域为压弯构件,即同时承受较大的轴力和弯矩;(5)下弦杆在拱脚区域、上弦杆在L/4~3L/4区域与拱上立柱交汇处为抗震薄弱部位;(6)本研究成果可应用于铁路钢桁拱桥的抗震设计。

关键词：大跨钢桁拱桥内力及应力动轴力空间耦合抗震薄弱部位

Park-Ang损伤模型在弯矩-转角层面的三维拓展

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世界地震工程 2013年第4期29卷 141-146页

作者：郭进王君杰黄勇同济大学桥梁工程系上海200092 中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150080

准确地评估构件的损伤程度是基于性能抗震设计的基础。地震作用下,钢筋混凝土墩柱的损伤一般是空间的。但目前钢筋混凝土墩柱的损伤模型大多只能考虑定轴力下单向弯曲。并且它们一般是力-位移层面的,这不利于有限元程序直接实现。针对... 详细信息

准确地评估构件的损伤程度是基于性能抗震设计的基础。地震作用下,钢筋混凝土墩柱的损伤一般是空间的。但目前钢筋混凝土墩柱的损伤模型大多只能考虑定轴力下单向弯曲。并且它们一般是力-位移层面的,这不利于有限元程序直接实现。针对这一问题,对Park-Ang损伤模型在弯矩-转角层面进行了三维拓展,指出了各参量在三维受力下的计算方法。拓展后的损伤模型能够考虑动轴力和双向弯曲,并且能够在有限元单元层面直接实现,有利于数值计算的自动化。

关键词：基于性能钢筋混凝土弯矩-转角损伤模型动轴力双向弯曲

采用混合配筋的预应力节段拼装双柱桥墩地震损伤评估研究

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采用混合配筋的预应力节段拼装双柱桥墩地震损伤评估研究

作者：乔宁南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,为加速工业化进程发展,提出将预制装配式技术用于桥梁建设中,后张预应力筋作为预制装配式技术中颇具应用前景的一种,因其具有施工简便、对环境影响小,自复位能力强等特点而受到了广泛关注;而且由于交通流量需求的日益增长,造成... 详细信息

近年来,为加速工业化进程发展,提出将预制装配式技术用于桥梁建设中,后张预应力筋作为预制装配式技术中颇具应用前景的一种,因其具有施工简便、对环境影响小,自复位能力强等特点而受到了广泛关注;而且由于交通流量需求的日益增长,造成桥面加宽致使桥梁采用双柱桥墩才可满足相关设计要求,因此非常有必要针对预应力节段拼装双柱桥墩开展相关研究。本文为推动预应力节段拼装双柱桥墩在中高烈度区的应用,构建了一种采用混合配筋的预应力节段拼装双柱桥墩(Prestressed Segmental Double Bridge Columns with Hybrid Reinforcement,PSDBC-H)-将超高性能混凝土(UHPC)和耗能钢筋用于预应力节段双柱桥墩。通过数值仿真方法研究PSDBC-H抗震性能及损伤破坏特征,然后探究该类型桥墩自复位能力和耗能能力之间的内在关系,基于此建立符合PSDBC-H力学性能特点和损伤破坏机理的地震损伤模型,本文的主要研究工作如下:(1)为提高双柱桥墩的抗震性能,提出将UHPC用于现浇双柱墩、UHPC和耗能钢筋用于预应力节段双柱墩,建立现浇双柱墩、预应力节段双柱墩(未设置耗能钢筋)、PSDBC-H精细化有限元模型,对其进行循环往复加载,分析不同类型双柱桥墩的抗震性能、损伤破坏特征和动轴力变化特点等。(2)探究不同设计参数对PSDBC-H抗震性能及损伤破坏特征的影响,并基于分析结果讨论各设计参数下PSDBC-H自复位能力和耗能能力之间的内在关系,选用合适的指标来表征桥墩的自复位能力和耗能能力,并建立二者之间的关系曲线。(3)阐明PSDBC-H的地震损伤破坏机理,并基于桥墩自复位能力和耗能能力之间的内在关系,指出Park-Ang损伤模型的不足之处,对其进行修正,建立适用于PSDBC-H的修正损伤模型,确定模型中组合系数的经验公式,并验证其可靠性。(4)根据PSDBC-H的损伤演化历程,划分性能水平;结合不同层次的损伤分量,研究各层次损伤分量与性能水平之间的关系,确定各性能水平临界状态时损伤分量界限值;其次,计算25个PSDBC-H达到各性能水平临界状态时的损伤指数,对性能水平进行分级,最后,验证地震损伤模型和性能水平分级标准的合理性。主要结论如下:(1)采用UHPC可明显减轻双柱桥墩的损伤程度;设置耗能钢筋后,PSDBC-H的耗能能力得到明显提升、自复位能力有所削弱;现浇双柱桥墩与两种预应力节段双柱桥墩的损伤破坏特点明显不同,主要表现在损伤破坏区域及损伤演化历程等;三种不同类型双柱桥墩的动轴力变化趋势一致。(2)耗能钢筋配筋率、耗能钢筋分布位置、桥墩高宽比、轴压比及耗能钢筋强度对PSDBC-H抗震性能影响相对较大;各PSDBC-H在循环往复荷载作用下主要以摇摆破坏为主,损伤破坏特征主要表现为混凝土受压破坏和耗能钢筋屈曲断裂。(3)不同设计参数下PSDBC-H耗能能力和自复位能力二者大致处于一种此消彼长的变化趋势,各设计参数下相对自复位率和能量耗散系数之间关系曲线可有效地描述PSDBC-H自复位能力与耗能能力二者之间的内在关系,也间接说明了表征桥墩自复位能力、耗能能力的变形项与滞回耗能项二者密切相关。(4)PSDBC-H地震损伤模型由规格化刚度退化和累积滞回耗能组合而成,引入耗能钢筋分布因子来表征耗能钢筋分布位置,经分析组合系数经验公式合理可行;经验证地震损伤模型和性能水平分级标准合理,可用于评估PSDBC-H的损伤程度。

关键词：混合配筋节段拼装双柱桥墩动轴力自复位能力耗能指标地震损伤模型

基于IDA方法的高墩连续刚构桥地震易损性分析

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基于IDA方法的高墩连续刚构桥地震易损性分析

作者：刘健昆明理工大学

学位级别：硕士

随着我国基础设施的不断完善,越来越多的桥梁出现在人们的生活中。在多种桥梁结构形式中,高墩连续刚构桥因其适用性强、施工方便、经济合理等优点成为跨越深谷江河的首选桥型。地震发生时,桥梁在地震动作用下的损伤程度,是评价其抗震性... 详细信息

随着我国基础设施的不断完善,越来越多的桥梁出现在人们的生活中。在多种桥梁结构形式中,高墩连续刚构桥因其适用性强、施工方便、经济合理等优点成为跨越深谷江河的首选桥型。地震发生时,桥梁在地震动作用下的损伤程度,是评价其抗震性能的重要指标。因此,对结构进行易损性分析,通过结构的损伤程度来评估其抗震性能,是抗震工作的重要部分之一。本文以某高墩连续刚构桥为研究对象,考虑结构的纵桥向动轴力作用,选取桥墩控制截面的曲率作为损伤指标,基于IDA方法,考虑纵、横两个方向进行各墩柱及全桥系统的易损性分析,并分析墩高差异和背景桥梁采用两种墩柱形式对桥梁损伤概率的影响,主要工作内容如下:(1)通过查阅前人的研究成果,介绍桥梁易损性分析概念,总结易损性曲线的建立流程,并对各流程做详细的概括。(2)建立高墩连续刚构桥的Midas civil有限元分析模型,提取结构在纵向不同PGA作用下,各墩柱关键截面的轴力时程,与静轴力对比,分析结构的动轴力效应对损伤指标的影响,并给出了墩柱在纵桥向动轴力作用下及横桥向恒载轴力作用下,各损伤状态的判断。(3)利用IDA方法对高墩连续刚构桥进行动力时程分析,采用基于频数的概统计法绘制各墩柱在纵桥向和横桥向地震动作用下的易损性曲线,并利用一阶界限法计算得出全桥系统结构的纵、横桥向易损性曲线,对其内在原因进行分析和探讨。(4)分别建立背景桥梁两种墩柱形式的模型,改变原桥的墩柱构造形式,采用全箱型空心墩模型和全双肢墩两种墩柱形式的模型,通过纵桥向及横桥向时程分析,绘制两种模型的墩柱及系统结构的易损性曲线。分析墩柱形式及墩高对损伤概率的影响。

关键词：易损性 IDA 动轴力高墩连续刚构桥损伤指标

高速铁路双薄壁墩混凝土连续刚构桥施工过程地震易损性分析

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高速铁路双薄壁墩混凝土连续刚构桥施工过程地震易损性分析

作者：赵凌志西南交通大学

学位级别：硕士

以一座高速铁路双薄壁墩预应力混凝土连续刚构桥为工程背景,利用OpenSEES软件建立空间有限元模型,运用增量动力分析方法(IDA)对结构进行动力时程分析,研究了其在施工过程中的地震易损性的变化规律以及桩土效应和悬臂效应对地震易损性的... 详细信息

以一座高速铁路双薄壁墩预应力混凝土连续刚构桥为工程背景,利用OpenSEES软件建立空间有限元模型,运用增量动力分析方法(IDA)对结构进行动力时程分析,研究了其在施工过程中的地震易损性的变化规律以及桩土效应和悬臂效应对地震易损性的影响。所做的工作和得到的结论主要如下:(1)混凝土双薄壁墩在水平纵向地震动作用下有明显的动轴力效应。针对此动力特性,探讨了各种损伤指标的适用性,经研究分析提出了一种考虑动轴力效应且可对地震需求和地震动强度参数进行回归拟合的单一损伤指标,即约束混凝土外缘的压应变延性比,并给出了损伤状态的划分和该指标的适用条件及相应的分析方法。(2)选取了数个代表性施工阶段进行研究,各代表施工阶段发生开裂损伤的概率对施工过程不敏感。对于开裂损伤,处在中间的施工阶段较为危险,相对而言,最大悬臂状态不是最危险的阶段,零号块施工阶段最为安全。发生轻微损伤、中等损伤和完全损伤的概率随着施工进度的增加都是逐渐增大的,且此三种损伤发生的概率对施工过程的敏感程度是依次增加的。(3)不考虑桩土效应会高估了各损伤状态发生的概率,对于开裂损伤和轻微损伤状态发生概率的高估尤为明显。桩土效应考虑与否对中等损伤和完全损伤的发生概率影响较小;(4)考虑悬臂质量的零号块体系去代替最大悬臂体系进行地震易损性分析时,会高估了各损伤状态的发生概率,尤其是开裂损伤和轻微损伤状态。而中等损伤状态和完全损伤状态的损伤发生概率对是否考虑悬臂效应不敏感。

关键词：双薄壁墩施工过程地震易损性连续刚构桥动轴力损伤指标桩土效应悬臂效应

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竖向地震对FPS支座隔震效果的影响

上海公路 2016年第2期 57-60,12页

作者：金德上海现代建筑设计(集团)有限公司 200041

介绍了FPS支座减隔震工作原理。通过对一联3×30 m预应力混凝土连续箱梁桥模型的计算分析,研究竖向地震对该类支座减隔震效果的影响,得出在不同参数下桥梁结构的地震响应,讨论了动轴力对FPS支座响应的影响规律。

关键词： FPS支座竖向地震动轴力减隔震