高耸工程结构基础约束刚度识别方法

在Rayleigh能量法和Southwell频率合成法的基础上导出了高耸工程结构复合振动基频计算公式,将基频表示成各惯性元和变形元所组成子系统的频率合成.在此基础上建立了结构基础约束刚度的识别方法,该方法利用结构固有基频和地基约束刚度的关系,只需测出结构顶端加载前后2种状态下的振动频率就可以估算出基础约束刚度.同时用标准实验证明了该方法的正确性.高耸工程结构复合振动基频计算公式计算简单,精度高,特别适用于识别桥墩和各种高耸建筑的基础约束刚度.     

基于频率合成法分析大跨连续刚构桥高墩横向振动基频

桥墩的自振特性是大跨连续刚构桥结构设计的重要参数,而桥墩的横向振动基频对边界弹性约束条件是敏感的.通过平动约束、转动约束和平转动耦合约束来模拟基础对墩底的约束作用,成桥状态下采用平动约束和转动约束弹簧来模拟墩顶的边界约束,利用Rayleigh和Southwell频率合成法推导出桥墩复合振动基频的计算公式.最后将有限元模型分析解和文中公式计算值进行对比,结果表明两者相对误差最大为7.50%,验证了频率合成法和基频计算公式的正确性,对同类型结构的状态评定和动力特性分析具有重要参考作用.     

基于能量原理的框架桥墩地震力分析

用Lagrange方程导出了框架桥墩地震振动方程，并给出了相应的基频和振型参与系数的近似计算公式。根据框架桥墩结构特点构造基本振型函数，将框架桥墩的横向总变形分解为墩身的弹性变形与基础转动和平动所产生的刚体位移的叠加，其中弹性变形由墩顶水平推力和约束力矩联合产生。分别讨论了横向设置防震限位构造与不设限位构造对框架桥墩地震力的影响。研究表明，现行公路桥梁抗震规范方法计算值偏小。本文方法适应于各种基础类型的桥墩，对新抗震规范修订具有参考价值。     

考虑基础-墩-梁的大跨度连续刚构竖向振动特性分析

以某大跨度连续刚构桥为背景,采用有限元分析软件Midas/Civil,建立了不考虑基础作用和考虑基础作用两种整体计算模型,对比分析了基础(桩土效应)对大跨度连续刚构桥竖向振动特性的影响,并通过改变两种模型的桥墩设计参数,定量地分析了在对大跨度连续刚构桥竖向振动特性分析时桥墩对基础的考虑与否的影响规律。计算结果表明,考虑基础作用会使结构的整体刚度降低,竖向自振频率减小,且对全桥竖向振型有一定的影响;随着墩高的增加,连续刚构桥的竖向基频不断减小,基础的作用越小;当墩高大于30m时,基础对连续刚构桥竖向振动特性的影响较小,在对大跨度连续刚构桥进行竖向振动特性分析时可不考虑基础的作用;而当墩高小于30m时,基础的影响较大,应该考虑基础的作用;随着桥墩截面尺寸的加大,连续刚构桥的竖向基频会增大,且相对于墩高的改变,截面尺寸的变化对连续刚构桥进行竖向振动特性分析时基础的考虑与否影响不大。     

薄壁变截面高桥墩的稳定分析

应用里兹法研究了考虑墩身自重的薄壁变截面高桥墩的稳定性.构造满足桥墩位移边界条件的横向位移曲线函数,得到其应变能和荷载势能表达式.基于势能驻值条件求出了薄壁变截面高桥墩的临界荷载解析式,利用该解析式可以方便地求出薄壁变截面高桥墩的临界荷载.与有限元分析得到临界荷载的比较表明,该方法简单可靠.     

海冰对单柱式桥墩非线性地震反应的影响

用简化的附加水质量模型考虑动水压力对桥墩的影响,用动冰力模型考虑冰与桥墩的相互作用,建立了冰水域单柱式桥墩地震反应的动力计算模型,并利用时程分析法研究了在不同类型地震作用下海冰对桥墩非线性地震反应的影响.桥墩的最不利反应一般发生在海冰质量为5×106～5×107kg,可作为桥墩设计时的海冰质量;且墩底截面出现最大曲率时对应的海冰质量随着水深的增大而变大.有冰时墩底截面曲率延性需求系数、墩顶最大位移和墩顶残余位移比无冰时增大数倍,墩底截面弯矩–曲率滞回曲线呈倒"S"型更显著,桥墩的变形和耗能能力显著下降.同时,与近场地震波作用时相比,远场地震波作用下海冰对单柱式桥墩顶部最大位移和残余位移的影响更大.     

不规则刚构桥车致横向振动响应研究

车辆荷载引起不规则刚构桥横向振动,可能影响舒适度,甚至带来结构的安全问题.采用有限元分析方法,运用该桥实测车致横向振动加速度数据作为激励源,研究了不规则刚构桥车致横向振动性能,主要包括箱梁跨中截面,主墩顶、墩底等关键截面位置的位移及弯矩响应.研究结果表明;对于横向刚度相对较小的高墩大跨桥梁结构,车致横向振动不容忽视;对于异高桥墩刚构桥,高墩横向振动响应比低墩剧烈.     

基于简化模型的铁路桥墩健康状态快速评估方法及应用研究

针对存在墩梁耦合效应的重载铁路多跨简支梁桥桥墩健康状态评估问题,以重载铁路多跨简支梁桥为研究对象,推导了梁体等效集中质量的计算公式,提出了多跨简支梁桥桥墩简化模型,进而建立了一套基于简化模型的铁路多跨简支梁桥桥墩健康状态的评估方法 .并以南排河特大桥为试验对象,探究了该方法在实际工程中的应用情况.结果表明：锤击激励和环境激励下梁体振型等效集中质量系数计算值差异很小,其计算方法不受外部激励的影响;提出的单墩简化分析模型可以较好地等效局部墩梁体系的振动;基于模态频率和振型构建的模型修正方法可以实现桥墩墩身刚度与基础约束的定量评估;整体和局部健康评估结果均表明南排河特大桥4号和5号墩服役状态良好,该快速评估方法能够准确反映桥梁健康状态,具有良好的实用价值.     

在用简支梁桥横向地震动研究

为了研究在用简支梁桥的抗震性能,将弹性基础上桥墩的总变形分为三部分,即桥墩自身的弹性变形、基础转动和平动所产生的变形;以该变形曲线作为桥墩的振型函数,利用Lagrange方程推导了任意跨简支梁桥的横桥向地震振动方程,得到了相应的基频和振型参与系数的计算公式,在此基础上给出了包含地基综合参数在内的地震力的求解方法.利用冲击力锤法对室内模型桥进行了模态试验.试验结果表明:实测频率值与理论振型计算的频率值相差在5%以内,将桥墩的静力挠度曲线作为桥墩的振型函数是可行的;该计算方法可供简支梁抗震评估参考.     

双筋矩形截面混凝土墩柱的开裂前沿简化计算

基于力学理论,对双筋矩形截面混凝土墩柱受力模式进行简化,建立模型的力学平衡方程,并分析墩柱模型的受力过程及开裂机理.运用＂三段式＂方法,在考虑混凝土受拉的条件下,求解墩柱开裂截面中性轴的位置,得到混凝土抗力ΔP（z）沿墩身分布的函数表达式.计算结果可适用于钢筋混凝土悬臂桥墩变形分析,提出的＂三段式＂分析方法可以求出墩柱各截面刚度以及墩柱墩顶位移曲线,有助于钢筋混凝土墩柱在复杂载荷作用下的开裂机理研究.     

高速铁路桥梁圆端形墩地震反应数值分析

以高速铁路简支桥梁圆端型实体墩为工程背景,建立了2种有限元模型计算桥墩的弹塑性地震反应,一种是包括桥墩的杆系单元全桥体系模型,可以考虑列车荷载的影响;另一种是单墩实体模型,用以分析桥墩的地震响应;基于2种有限元模型和弯矩-曲率关系程序,分别计算了不同车速、墩高、地震作用组合和有车/无车等工况下桥墩的弹塑性地震响应.计算结果表明,随着地震强度的增加,桥墩的地震响应呈上升趋势,车速、墩高的增加对桥墩地震响应的影响不呈线性增长关系,地震频谱特性对桥墩地震反应影响较大;罕遇地震作用下墩底进入弹塑性状态,给出了适合低配筋率桥墩塑性铰区箍筋加密长度简化计算公式.     

珠海淇澳大桥船撞能力评估及防撞设计

淇澳大桥主桥为双塔独柱式单索面预应力混凝土斜拉桥,为判断桥墩结构是否满足防撞要求,采用MIDAS计算了桥墩抵抗船舶撞击力值,运用有限元建立了桥墩模型计算5000 t船舶撞击大桥2#主塔桥墩,及500 t船舶撞击引桥1#、0#桥墩的撞击力,撞击力计算与经验公式结果进行对比.结果表明,有限元法与美国ASSHTO规范计算较为接近,桥梁抗撞能力满足防船撞要求.考虑船桥双重保护的理念,船桥撞击时最大程度上保护船舶和降低桥梁损伤,主塔桥墩设计采用自浮式钢浮箱防撞装置,两引桥桥墩防撞采用橡胶护舷进行防护.     

斜拉桥合理墩形及墩梁约束体系抗震研究

过渡墩、辅助墩墩顶设置平衡重是斜拉桥一种常见设计方式,此设计的特点是墩顶所受质量大、但重力小,由此导致过渡墩、辅助墩在地震作用下受到的地震力大、而轴压力小,进而引发过渡墩、辅助墩的动轴拉力、支座动反拉力以及支座剪力过大等抗震问题。以某斜拉桥为背景,针对其过渡墩、辅助墩墩高小的特点,以及纵向+竖向地震作用下,竖向地震作用使辅助墩墩顶支座以及墩底截面产生较大动反拉力和动轴拉力的现象,提出过渡墩以墙式墩取代门式框架墩、辅助墩墩顶支座改为双向滑动支座、过渡墩墩梁之间横向设置速度型动力锁定装置的比选方案。分析表明,此比选方案可有效解决墩中的动轴拉力、支座动反拉力以及支座剪力过大的问题。但是,由于锁定力需求较大,速度型动力锁定装置的选取需根据进一步的经济比选决定。     

盾构下穿及列车荷载作用下既有高铁桥梁动力响应分析

为研究盾构下穿时,列车荷载作用下既有高铁桥梁动力响应。以盾构下穿某高速铁路简支梁桥为工程背景,运用有限元软件Midas/GTS建立盾构隧道先后下穿高铁桥梁模型,分析盾构下穿时列车荷载作用下高速铁路简支桥梁动力响应。首先分析了当盾构开挖至桥梁近侧,列车以不同速度200～350 km/h、不同轴重110～220 kN运行时对高速铁路简支梁桥墩顶沉降的影响。接着探讨在不同开挖阶段,速度200 km/h、轴重110 kN的列车动荷载冲击下高铁桥梁墩台顶变形规律。结果表明：盾构开挖至桥梁近侧时,不同速度、轴重列车荷载冲击下,高铁桥梁墩台顶的变形规律基本一致,其沉降在一定时间达到峰值,其后逐渐回升并稳定在某一波动范围内;随着列车速度与轴重的增加,墩台顶沉降峰值越大;盾构开挖时,列车时速低于200 km/h、轴重小于110 kN时其墩台顶沉降峰值当满足高铁桥梁单墩顶竖向沉降控制标准,与列车速度相比,列车轴重对桥梁的动力响应影响更大;列车动荷载作用下,盾构隧道开挖对高铁桥梁墩顶变形的影响主要为盾构开挖至桥梁近侧的初开挖阶段,盾构开挖远离桥侧后墩顶变形基本处于稳定状态。     

既有桥梁墩台自振频率测试的冲击振动试验法

提出了一种测量既有桥墩自振频率的新方法,即冲击振动试验法(IVTM).该方法是用重锤击打桥墩,测量桥墩顶部的响应并对其进行傅立叶解析,通过比较响应的幅值谱和相位谱来确定桥墩的自振频率.试验时可仅在墩顶布置一个传感器,因而试验相对较简单,试验费用较低,可以用来方便准确地对大量桥墩进行测试.     

辅助墩对大跨斜拉桥在地震作用下的影响——以禹门口黄河公路大跨斜拉桥为例

斜拉桥属于高次超静定柔性结构,辅助墩的设置会改变其结构的受力和变形,对塔顶位移、塔根弯矩、主梁挠度和弯矩等均有一定的影响.为了研究辅助墩的设置数量对大跨度斜拉桥地震响应的具体影响规律,依托陕西禹门口黄河公路大桥工程,采用数值分析的方法,用有限元分析软件CSiBridge对该斜拉桥建立3种方案的有限元模型,即无辅助墩方案、一个辅助墩方案、两个辅助墩方案.在3种方案下利用动力反应谱分析法和时程分析法进行地震作用下的主塔及主梁关键截面内力及线形分析,得到在不同方案下的变化特点.综合两种方法分析结果,辅助墩的设置会增加该类桥型的塔底和主梁弯矩,但对主梁位移有所改善,可见辅助墩的设置对该类型桥梁地震响应的影响有利有弊.     

墩身高阶振型对高墩地震反应影响

采用增量动力分析的方法,全面讨论了墩身高阶振型对桥梁结构地震反应的影响.首先分析了现有规范中的桥梁抗震设计方法应用于高墩的局限性;随后采用了增量动力分析方法,在考虑墩身高阶振型效应的情况下,对高墩桥梁结构在地震作用下的性能进行了研究.结果表明:由于墩身高阶振型贡献,高墩在强震作用下可能沿墩身产生多个塑性区域;墩顶位移与墩底曲率不再同步变化,高墩墩顶极限位移不能采用规范中的方法进行计算;高墩墩身的地震剪力及弯矩需求也会由于墩身高阶振型的显著影响而变得十分复杂.最后提出了针对高墩抗震设计的一些改进措施.     

不同曲率下预应力斜墩曲线连续刚构桥施工过程变形分析

桥墩横向变形是曲线连续刚构桥产生径向位移和扭转变形的主要原因,为探究预应力斜墩对曲线连续刚构桥施工过程变形的影响规律,通过矩形斜墩在曲梁偏压和桥墩预应力作用下墩顶横向位移和转角计算公式的理论推导,阐释了预应力斜墩在曲线连续刚构桥悬臂施工过程中变形的主要规律;以实际工程为背景,通过不同曲率半径的曲线连续刚构桥数值模拟分析,研究了曲率半径对该类桥梁各施工荷载作用下空间变形的影响规律.结果表明:斜墩的斜腿构造和预应力对减小曲梁的径向位移和扭转变形作用明显;最大悬臂状态曲梁的径向位移和扭转变形由悬臂根部向悬臂端先增大后减小,且峰值随曲率半径的减小而向桥墩靠近;直线连续刚构桥的径向位移和扭转变形产生于桥墩的横向变形,而曲线连续刚构桥还包含了曲梁自身的径向位移和扭转变形.预应力斜墩曲线连续刚构桥施工过程变形复杂,桥梁施工控制尤其需要关注其径向变形和扭转变形.