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考虑结构损伤的深水桥墩动水效应等效附加质量研究

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武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2019年第4期43卷 605-610页

作者：邓育林汤轲谭金华郭庆康武汉理工大学交通学院

以三种墩高的圆截面深水墩为对象,借助有限元软件建立墩-水相互作用的数值模型,考虑桥墩局部和整体损伤,同时考虑桥梁上部结构的影响,分析不同损伤程度及不同墩顶质量情况下的动水附加质量随水位的变化,并通过动水压力和动力特性分析进... 详细信息

以三种墩高的圆截面深水墩为对象,借助有限元软件建立墩-水相互作用的数值模型,考虑桥墩局部和整体损伤,同时考虑桥梁上部结构的影响,分析不同损伤程度及不同墩顶质量情况下的动水附加质量随水位的变化,并通过动水压力和动力特性分析进行验证.结果表明,对于不同墩高的桥墩,无论是局部损伤还是整体损伤,同一水位不同损伤程度下的动水附加质量几乎不变;考虑墩顶质量对动水附加质量的影响也不大;不同损伤程度及不同墩顶质量下动水压力沿墩身的分布规律没有改变;等效前后的数值模型自振周期拟合较好,损伤前的动水附加质量可适用于损伤后的结构动力分析中.

关键词：深水桥墩动水附加质量桥墩损伤墩顶附加质量墩-水耦合

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洪水作用下桥墩结构灾变损伤机理与失效模式

洪水作用下桥墩结构灾变损伤机理与失效模式

作者：黄诗茗吉林大学

学位级别：硕士

桥梁是交通基础设施的关键节点,是保障整个交通运输网顺利畅通和灾后救援的咽喉要道。然而,在洪水灾害作用下,桥梁结构会发生不同程度的损伤甚至彻底丧失通行能力,究其原因是因为桥梁抵抗洪水灾害的损伤机理不明和抗灾韧性不足所致。目... 详细信息

桥梁是交通基础设施的关键节点,是保障整个交通运输网顺利畅通和灾后救援的咽喉要道。然而,在洪水灾害作用下,桥梁结构会发生不同程度的损伤甚至彻底丧失通行能力,究其原因是因为桥梁抵抗洪水灾害的损伤机理不明和抗灾韧性不足所致。目前,我国有关桥梁水毁方面的研究还在发展阶段,还没有完善成熟的理论体系,许多技术规范、标准和设计手册已无法满足日益严峻的环境恶化需求。本文依托国家重点研发计划项目课题“陆路交通基础设施结构灾变损伤机理与失效模式”(编号2021YFB2600601,2021YFB2600600),针对中小跨径桥梁结构,开展了洪水作用下关键影响要素分析,基于有限元仿真分析方法建立数值仿真模型,研究了洪水不同影响因素作用下的桥墩动力响应演变规律,分析了洪水不同影响要素下结构的损伤机理,并结合桥墩模态完整度给出了桥墩损伤状态下的预警流速以及破坏形态。为实现灾变前置预警、监测设施结构安全与抗灾韧性提升奠定了基础。(1)对洪水作用下桥梁结构影响要素进行整理与分析,总结了不同影响要素下结构损伤方式、洪水作用力表达式,分析不同影响因素的洪水作用下桥梁结构破坏机理。并基于流固耦合模型,采用数值计算直接求解流动主控方程的方法获得各种流动现象规律。结合流体力学仿真分析技术,通过计算机数值计算和图像显示的方法描述流场的数值解,再采用拉丁超立方抽样和分层随机抽样,尽可能保证每一个变量的全覆盖,并用统计分析方法对抽样数据进行分析。针对研究了桥墩形状、洪水流速、水流入射角度、数量及间距等多种关键因素对桥墩水平阻力效应的影响,得到了全面、准确的洪水作用效应,建立了考虑多种影响因素的洪水致灾作用效应分析模型。(2)通过建立有限元数值分析模型,考虑了不同流速、水位高度、长细比、轴压比、配筋率、冲刷深度等影响因素作用,通过结构计算得出桥墩墩顶水平最大位移、模态频率等动力响应数据,分析桥墩结构在不同影响要素下的动力响应规律。(3)通过结合洪水不同影响因素作用下的桥墩动力响应演变规律,确定了损伤指标,明确了洪水不同影响要素下结构的损伤机理,通过桥墩能力曲线判断结构具体失效模式,并结合桥墩模态完整度给出了桥墩损伤状态下的预警流速以及破坏形态。根据以上工作,本文结合洪水对桥梁的作用机理与洪水作用下桥梁的动力响应对桥墩结构灾变损伤机理与失效模式进行了研究,为实现灾变前置预警与设施结构安全与抗灾韧性提升奠定了基础。

关键词：桥梁工程数值模拟洪水作用损伤机理桥墩损伤

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重载车辆作用下UHPC桥墩防撞性能研究

中南大学学报（自然科学版） 2022年第11期53卷 4570-4579页

作者：姜钰宸杨剑刘义康中南大学土木工程学院湖南长沙410075

普通混凝土NC(normal concrete)桥墩在遭遇车辆撞击时往往表现出承载能力不足,可能导致严重的结构破坏甚至人员伤亡。为此,基于超高性能混凝土UHPC(ultra-high performance concrete)良好抗冲击性能和超高强度,对UHPC桥墩的防撞性能进... 详细信息

普通混凝土NC(normal concrete)桥墩在遭遇车辆撞击时往往表现出承载能力不足,可能导致严重的结构破坏甚至人员伤亡。为此,基于超高性能混凝土UHPC(ultra-high performance concrete)良好抗冲击性能和超高强度,对UHPC桥墩的防撞性能进行研究。采用ANSYS/LS-DYNA建立车-桥碰撞有限元模型,对UHPC桥墩的撞击过程、耗能特性和碰撞力进行对比研究。研究结果表明:相比NC桥墩,UHPC桥墩具有较强的抗损伤能力和优异的抗冲击性能;在重载车辆撞击下,UHPC桥墩的破坏仅以轻微混凝土剥落和柱脚剪切损伤为主,而NC桥墩出现较严重的混凝土开裂和剥落现象;在重载车辆撞击时,NC和UHPC桥墩均产生2个峰值碰撞力,且UHPC桥墩的2个峰值力均明显比NC桥墩的峰值力大。

关键词： UHPC桥墩抗冲击性能重载车辆桥墩损伤冲击力

考虑动水压力的桥墩钢筋锈蚀抗震性能改进模型研究

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地震工程学报 2020年第5期42卷 1310-1316页

作者：夏玉超李振湖南交通职业技术学院湖南长沙410132 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

针对考虑动水压力作用下桥墩内部钢筋锈蚀后抗震力学性能变化规律的问题,通过力学推导和abaqus有限元模拟研究了桥墩的力学性能,首先依托塑性铰区域高度计算公式,构建桥墩动水压力计算简化模型,通过改进有限元计算模型,提出了优化后的... 详细信息

针对考虑动水压力作用下桥墩内部钢筋锈蚀后抗震力学性能变化规律的问题,通过力学推导和abaqus有限元模拟研究了桥墩的力学性能,首先依托塑性铰区域高度计算公式,构建桥墩动水压力计算简化模型,通过改进有限元计算模型,提出了优化后的考虑钢筋锈蚀的桥墩计算公式。计算结果表明:动水压力作用下桥墩底部钢筋锈蚀与混凝土损伤对桥墩主压应力影响最大,其他区域钢筋锈蚀影响较小,并对桥梁承载力计算公式进行修正,为后期同类工程计算提供了理论依据。

关键词：塑性铰桥墩损伤动水压力

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强震下大跨度连续梁桥损伤分析

西南交通大学学报 2023年第6期58卷 1423-1431页

作者：贾宏宇吴炜昌游刚杨磊彭奇慧郑史雄西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031 黄河勘测规划设计研究院有限公司河南郑州450003 西南交通大学机械工程学院四川成都610031

连续梁桥结构常因地震发生损伤甚至倒塌而失去交通作用,研究强震下大跨度连续梁桥的损伤破坏机制对提高桥梁抗倒塌性能具有重要意义.基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,考虑桥墩材料非线性、损伤过程大变形非线性以及梁端非线性碰撞,建立大... 详细信息

连续梁桥结构常因地震发生损伤甚至倒塌而失去交通作用,研究强震下大跨度连续梁桥的损伤破坏机制对提高桥梁抗倒塌性能具有重要意义.基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,考虑桥墩材料非线性、损伤过程大变形非线性以及梁端非线性碰撞,建立大跨度连续梁桥在强震作用下的损伤三维数值模型,进行非线性分析,直观模拟大跨度连续梁桥在强震作用下的损伤破坏过程,从连续梁桥的应变与位移响应、桥墩损伤和梁-台间碰撞作用等方面分析了大跨度连续梁桥的地震损伤情况.研究结果表明:单向地震动输入与双向地震动输入作用下破坏模式基本一致,破坏模式由桥梁结构本身决定,地震动输入方式影响较小;大跨度连续梁桥的地震损伤是逐渐发展的过程,桥墩混凝土损伤因子不断累积达到0.99,固定墩底部发生受弯塑性破坏,桥梁发生损伤破坏.

关键词：大跨度连续梁桥地震作用破坏模式损伤分析桥墩损伤

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强震作用下连续梁桥多墩联合半主动控制

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2014年第7期47卷 570-576页

作者：孙松建姜南李忠献天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300072

为了平均分配连续梁桥各墩的损伤,提出了一种多墩联合半主动控制算法.该控制算法在主动最优控制力的基础上,综合考虑连续梁桥各墩的损伤状态,通过调整阻尼器的目标出力,在主梁加速度和各桥墩的墩顶与主梁间相对位移得到控制的同时,使各... 详细信息

为了平均分配连续梁桥各墩的损伤,提出了一种多墩联合半主动控制算法.该控制算法在主动最优控制力的基础上,综合考虑连续梁桥各墩的损伤状态,通过调整阻尼器的目标出力,在主梁加速度和各桥墩的墩顶与主梁间相对位移得到控制的同时,使各桥墩的损伤指数平均分配.本文以一设置了磁流变(MR)阻尼器的3跨连续梁桥为研究对象,采用MATLAB进行数值模拟分析,对所提出的半主动控制算法进行了多种工况下的验证.计算结果表明,采用多墩联合半主动控制算法能够较好地控制桥梁的地震反应,同时有效降低破坏最严重的桥墩在强震过程中的损伤指数,达到各桥墩损伤平均分配的效果.

关键词：连续梁桥桥墩损伤磁流变阻尼器半主动控制相对位移

船舶撞击桥墩有限元数值模拟及防撞装置设计研究

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船舶撞击桥墩有限元数值模拟及防撞装置设计研究

作者：左玉强合肥工业大学

学位级别：硕士

船-桥碰撞事故往往伴随着重大财产损失和人员伤亡。随着内河桥梁数量逐年增加和水上航运事业蓬勃发展,二者之间的矛盾更是不可避免,迫切需要对船-桥碰撞问题进行深入系统的研究。基于有限元技术的发展,数值模拟成为研究船-桥碰撞的主要... 详细信息

船-桥碰撞事故往往伴随着重大财产损失和人员伤亡。随着内河桥梁数量逐年增加和水上航运事业蓬勃发展,二者之间的矛盾更是不可避免,迫切需要对船-桥碰撞问题进行深入系统的研究。基于有限元技术的发展,数值模拟成为研究船-桥碰撞的主要手段。本文主要工作如下：1、本文通过分析国内外船-桥碰撞事故,针对工程实例提出课题研究的目的和意义,介绍有限元模拟碰撞的基本原理和方法,对研究过程中所应注意的关键问题和数值模拟方法作了详细说明。2、在对本文研究目的和研究理论熟悉的情况下,分多种工况对碰撞过程进行数值模拟,利用ANSYS/LS-DYNA建立船舶、桥墩模型并求解,LS-PREPOST进行后处理。主要研究影响船-桥碰撞结果的因素,包括船舶初始速度、船舶的刚度、桥墩钢筋的布置、碰撞时水位情况、碰撞角度等。数值模拟结果表明：船舶初始速度与撞击力峰值基本成正比,速度越大,船舶和桥墩的损害越严重：船舶刚度越大造成的撞击后果越严重,主要表现为撞击力和桥墩的损伤：桥墩钢筋作用可通过提高混凝土弹性模量近似模拟：碰撞时水位不同,撞击结果也不同;横桥向撞击结果比顺桥向撞击结果严重。3、通过将软件模拟的结果与现有规范及经验公式计算的结果进行比较,发现各个规范都有其局限性,多数简化计算公式都以船舶质量和船舶速度作为主要参考变量,部分公式并未考虑速度对撞击结果的影响,在运用规范及经验公式计算撞击力时,应根据实际工程合理选取,且只作为参考较好,建议采用数值模拟取得更加确切的结果。4、论文通过对撞击结果的研究,并根据桥墩结构形式设计相应的防撞装置,一种能够适应水位变化的钢套箱。对比船舶撞击不同刚度防撞装置的结果发现,防撞装置刚度越大,防撞效果越好,但是撞击船舶损坏越严重。

关键词：船-桥碰撞有限元撞击力桥墩损伤桥墩防撞

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UHPC桥墩抗落石冲击性能研究

UHPC桥墩抗落石冲击性能研究

作者：张振高中南大学

学位级别：硕士

我国地形复杂,山地和高原占比较多,这导致我国自然灾害频发。随着山区桥梁数量的增多,落石撞击桥梁的灾害事故也频繁发生,落石灾害事故往往会破坏工程结构,阻塞交通,甚至会危及人民群众的人身安全,带来巨大的经济损失。落石撞击桥梁后,... 详细信息

我国地形复杂,山地和高原占比较多,这导致我国自然灾害频发。随着山区桥梁数量的增多,落石撞击桥梁的灾害事故也频繁发生,落石灾害事故往往会破坏工程结构,阻塞交通,甚至会危及人民群众的人身安全,带来巨大的经济损失。落石撞击桥梁后,普通混凝土(Normal-strength Concrete,NC)桥墩表现出明显的抗冲击性能不足,容易出现严重的剪切破坏,导致上部结构倾斜甚至倒塌。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)是近几十年发展起来的一种高强度、高耐久性的新型混凝土材料,科学研究及工程实践表明UHPC可以提高结构的静力性能和动力性能。本文将对UHPC桥墩抗落石冲击性能进行研究,并提出一种新型UHPC外包加固桥墩结构,分析不同外包厚度对其抗冲击性能的影响。主要研究内容及成果如下:(1)建立精细化的“落石-桥梁”碰撞模型,对UHPC桥墩与NC桥墩在落石撞击作用下的动态响应与损伤规律进行了对比研究。结果表明,在落石撞击作用下UHPC桥墩为局部冲击破坏,NC桥墩为剪切破坏;UHPC桥墩抗冲击性能显著大于NC桥墩,当落石速度达到60m/s时,NC桥墩出现贯穿裂缝,基本丧失承载能力,而此时UHPC桥墩损伤主要集中在撞击位置,桥墩整体性较好。(2)在落石撞击作用下,UHPC桥墩至少可以减少30%撞击位置处位移。同时由于UHPC桥墩横向刚度的增大,落石与UHPC桥墩的撞击力相比于NC桥墩有所增大。(3)探究了不同桥墩参数对UHPC桥墩抗冲击性能的影响;提出了落石撞击UHPC桥墩的撞击力计算公式,公式综合考虑了落石速度、落石质量、桥墩刚度、落石撞击面积等参数,结果表明该公式具有较高的精确性,计算公式最大相对误差为8.06%。(4)为提高老旧桥墩的抗冲击性能,提出新型UHPC外包加固桥墩结构。根据桥墩抗力提出了关于UHPC外包厚度的计算式,验证了其正确性,进而又探究了不同UHPC外包厚度对加固桥墩抗冲击性能的影响,结果表明UHPC外包加固桥墩可以提高桥墩的抗冲击能力,能有效降低内部混凝土材料的损伤。图68幅,表10个,参考文献76篇

关键词： UHPC桥墩抗冲击性能落石桥墩损伤外包加固

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高山滚石撞击桥墩破坏与防护措施分析

高山滚石撞击桥墩破坏与防护措施分析

作者：秦志轩北京交通大学

学位级别：硕士

随着我国经济持续稳定的快速发展,在我国经济发达的东部省份已经形成了较完善的公路铁路网络,西部地区为当前公路铁路建设的重点地区,而我国西部地区地形复杂多样,诸如山脉河谷等地形地貌错综复杂,在这些区域建设公路铁路经常需要跨越... 详细信息

随着我国经济持续稳定的快速发展,在我国经济发达的东部省份已经形成了较完善的公路铁路网络,西部地区为当前公路铁路建设的重点地区,而我国西部地区地形复杂多样,诸如山脉河谷等地形地貌错综复杂,在这些区域建设公路铁路经常需要跨越河谷等障碍,因此桥梁建设是西部公路铁路网络的重要组成部分,而随着桥梁在山地建设的数量增多,山区滚石对桥梁造成危害的问题就越来越值得注意,对此本文针对滚石与桥墩接触碰撞问题,对滚石冲击力以及滚石冲击作用下桥墩的损伤特征进行研究,并对桥墩防护措施进行对比分析,主要研究内容如下:(1)以Hertz接触理论、准静态弹塑性分段接触理论模型和冲击损伤理论为基础,推导考虑弹塑性变形以及材料冲击损伤的滚石冲击力计算公式;对准静态弹塑性分段接触理论模型进行推导说明;将滚石与桥墩接触碰撞过程分为碰撞初期弹性加载阶段、塑性变形弹塑性加载阶段和卸载回弹阶段并结合算例进行参数敏感性分析。结果表明滚石半径、滚石冲击速度和滚石冲击角度对滚石冲击力影响显著,损伤指数、混凝土强度等级和混凝土保护层厚度对滚石冲击力影响相对较小。(2)使用SpaceClaim、HyperMesh和LS-DYNA联合仿真,建立滚石与桥墩冲击碰撞数值模型,确定钢筋、混凝土、滚石的所选用的模型以及参数,使用罚对称函数法模拟滚石与桥墩接触碰撞。(3)利用显示有限元软件LS-DYNA,模拟滚石与圆柱式桥墩、矩形柱式桥墩和椭圆柱式桥墩冲击碰撞过程,分析滚石冲击速度、滚石半径、滚石冲击角度和混凝土强度等级对滚石冲击力与桥墩损伤特征的影响。结果表明数值模拟滚石冲击力变化趋势与理论模型滚石冲击力变化趋势接近一致,且滚石冲击力数值模拟结果与理论计算结果对比,比值范围在0.35～0.55之间,对此给出理论计算公式折减系数;以桥墩体积损伤率和冲击碰撞后桥墩剩余竖向承载力作为桥墩损伤评价指标,对桥墩损伤特征进行分析。结果表明三种形式桥墩在滚石冲击作用下损伤特征变化规律基本一致;三种形式桥墩在相同情况下的损伤程度与滚石作用于桥墩的接触面有关,接触面为平面时桥墩损伤程度低于接触面为凸起面,接触面均为平面时,截面面积相对较大的桥墩损伤程度较低;考虑滚石与桥墩偏心碰撞这一特殊情况,与对心碰撞结果相对比可得,偏心碰撞下桥墩损伤程度略轻于对心碰撞;设计正交试验分析不同影响因素对桥墩损伤程度影响性的大小,综合考虑滚石冲击速度、滚石半径、滚石对心冲击角度和混凝土强度等级四个因素,每个因素考虑四个水平,分析结果表明滚石半径对桥墩损伤影响最大,其次为滚石冲击速度,再次之为滚石对心冲击角度,混凝土强度等级对桥墩损伤影响最小。(4)建立桥墩防护措施数值模型,以体积损伤率和剩余竖向承载力作为评价标准,对三种桥墩防护措施的防护效果进行对比分析,结果表明外包泡沫铝效果最好,外包FRP板其次,FRP板或钢板与泡沫铝组合的形式对桥墩进行防护。

关键词：滚石桥墩滚石冲击力弹塑性变形桥墩损伤桥墩防护