桥梁高墩抗震研究现状及展望

在简要说明桥梁高墩柱抗震特点的基础上,比较了国内外桥梁抗震设计规范的异同.然后,结合3类高墩——混凝土箱型墩柱、钢箱墩柱和钢管混凝土组合墩柱,总结回顾了国内外桥梁墩柱拟静力试验、拟动力试验和地震模拟振动台试验研究以及基于性能的抗震设计方法等方面的研究进展.最后,对桥梁高墩抗震有待进一步研究的问题和发展趋势进行了展望,可供大跨高墩桥梁抗震分析与设计以及桥梁墩柱抗震加固参考.     

浅谈高墩桥梁抗震设计

当前,部分高等级公路的桥梁均为不规则的高墩桥梁,并且主要横跨河谷与深沟。公路桥梁的设计极其重要,在设计中应考虑其的抗震性能。本文笔者针对高度桥梁的抗震设计进行分析,结合高墩桥梁的结构特点,从而阐述了其抗震的计算方法以及对策。     

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.     

预制拼装箱型墩抗震性能指标分析

采用IDA法对预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能和性能指标进行研究,通过和整体式箱型高墩的表现形式对比验证了其适用性,并对墩底截面曲率、墩顶位移、预应力三个基本性能指标在预应力预制拼装箱型高墩领域的适用性进行探讨,结果表明：对于预应力预制拼装箱型高墩来说,由于高阶振型的影响,墩顶位移的大小并不能准确表征构件的损伤状态,不适合作为预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能指标;当墩底曲率达到极限曲率时,墩底截面曲率增加幅度远大于墩身截面曲率,可以很好的反映构件的损伤状态;构件特定部位的损伤可能会导致预应力筋应力突然增大引起构件破坏,选用墩底截面曲率结合预应力指标作为性能指标能较好地表征构件的损伤状态。相关研究结论可为该类型高墩的抗震分析和设计提供借鉴。     

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土圆形空心高墩抗震性能分析

根据已有的对高墩高塔结构地震易损性研究,薄壁高墩在地震作用下容易发生破坏的部位主要位于墩底和墩顶区域;也有文献表明,高墩高塔结构受到自身高阶振型影响,完全损伤发生在距离基础顶面3/4~1/3处.本文在已有研究的基础上,提出不同的钢筋混凝土圆形空心高墩加固方案;考虑环向及纵向碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)的布置位置,布置数量及预应力大小等因素,通过动力特性及地震反应谱分析的结果,得到最优的加固方案;进一步通过地震时程分析,进行方案优选,给出钢筋混凝土圆形空心截面高墩的抗震加固的合理方案.结果表明,采用CFRP对圆形空心高墩同时进行环向及纵向加固能提高墩柱的抗震性能,并且纵向CFRP施加的预应力越大,墩柱的抗震性能越好.     

预制拼装等边箱型墩抗震性能指标分析

采用IDA法对预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能和性能指标进行研究,对墩底截面曲率、墩顶位移、预应力3个基本性能指标在预应力预制拼装箱型高墩领域的适用性进行探讨.结果表明:对于预应力预制拼装箱型高墩来说,由于高阶振型的影响,墩顶位移的大小并不能准确表征构件的损伤状态,不适合作为抗震性能指标;当墩底曲率达到极限曲率时,墩底截面曲率增加幅度远大于墩身截面曲率,可以很好地反映构件的损伤状态;选用墩底截面曲率并结合预应力指标作为性能指标,能较好地表征构件的损伤状态.相关研究结论可为该类型高墩的抗震分析和设计提供借鉴.     

高墩桥梁地震响应分析研究

汶川地震震害结果表明,在我国西部山区普遍存在的高墩桥梁震害严重,不少高墩桥梁在高于设防烈度的大震作用下出现了上部结构落梁、桥墩倒塌或压溃等严重破坏,直接影响到抗震救灾工作的顺利开展．因此,应对其抗震设计提出更高要求．通过对一座高墩三跨连续箱梁桥的地震响应进行数值模拟计算,分析了高墩桥梁的地震响应特点,提出了高墩桥梁在大震作用下应采取防止落梁及墩柱压溃破坏的构造措施．     

钢筋混凝土高墩抗震性能评价指标

基于性能的抗震设计是结构抗震设计规范的主要发展方向,其中结构抗震性能水准的定义及其性能指标的选择和量化对结构抗震性能评价至关重要。根据钢筋混凝土高墩的地震反应特性,确定采用曲率延性系数作为性能参数,并给出桥墩在地震作用下曲率延性系数对应各性能水准的量化值。分别以位移延性系数、位移角限值以及曲率延性系数作为性能评价指标,采用增量动力分析法对桥墩进行抗震性能研究,分析结果表明：对于钢筋混凝土高墩而言,曲率延性指标更为合理可靠,尤其是在强震作用下能够更准确反映墩柱的内部破坏情况。     

高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应研究

运用大型结构分析程序Midas/civil在地震波作用下,对某一实际高墩大跨连续刚构桥的地震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟,分析了高墩大跨连续桥在顺桥向地震波作用下不同的相位差的行波效应,以及行波效应对桥梁高低墩墩差产生的影响.结果表明:行波效应对高墩大跨连续桥的影响很大,桥梁高低墩墩差越大行波效应越明显,高墩大跨连续桥在抗震设计时应考虑行波效应.     

高墩连续刚构桥纵向振动基频的能量法计算公式

为了研究高墩连续刚构桥基频函数表达式,以某一典型桥梁为例,构造了多种不同的桥梁结构形式,建立了64种有限元分析模型,获取了桥梁结构自振特性规律,并提出了桥梁纵向振动的基本振型函数;在此基础上利用瑞利法推导了高墩连续刚构桥纵向振动基频的理论计算公式,最后对此公式的可行性进行了算例验证,讨论了现有抗震规范在此类桥梁结构基频计算上的适用性.结果表明:高墩连续刚构桥第一阶振动以桥墩的纵向振动为主;给出的由能量法得到的基频计算值与有限元模型计算值误差为5％;抗震设计细则中的自振频率计算公式不适用于高墩刚构桥此类非规则桥梁.     

考虑高墩二阶效应的简化迭代计算方法

为快速计算高墩侧移所致的二阶效应,在经典解析法的基础上,提出一种新的计算高墩二阶效应的简化迭代方法.根据高墩与上部结构的不同约束情况,推导建立相应的迭代计算公式.将简化迭代算法分别应用于一座高墩连续刚构桥和一座高墩连续梁桥算例中,并将计算结果与有限元法计算结果进行对比.结果表明,经过4次迭代计算后,本方法即可达到收敛条件;对于高墩连续刚构桥算例,墩顶水平位移和墩底弯矩的简化迭代计算结果与有限元模型计算结果的相对误差分别仅为-0.11%和-1.18%;对于高墩连续梁桥算例,两者相对误差分别仅为1.04%和1.02%.     

限位装置对桩基础高墩摇摆反应的影响

基础摇摆隔震会显著增大高墩顶的位移,摇摆隔震装置中设抗拉钢筋或钢铰线可以减少墩顶位移。提出了限位装置的模拟方法,完善了桩基础高墩摇摆隔震的分析模型。基于某铁路高墩桥梁,输入3条强震记录,采用非线性时程分析方法进行了限位装置的影响分析。讨论了限位装置初始间隙及屈服力的变化对墩顶位移与墩底弯矩的影响规律。结果表明,限位装置减小墩顶位移的同时会增大墩底弯矩,墩顶位移受限位装置初始间隙的影响较大,墩底弯矩受限位装置初始间隙的影响较小,桩基础高墩的摇摆反应受限位装置屈服力的影响较大。     

大跨连续刚构桥稳定性分析

利用大型通用有限元程序建立了某高墩大跨连续刚构桥的空间有限元模型,计算了桥梁结构的稳定安全系数,对桥梁的失稳特征进行了分析,计算表明该桥具有足够的稳定安全性,分析结果为同类桥型的设计提供了参考依据。     

连续刚构桥合拢工艺研究

文章较详细地介绍了连续刚构桥合拢中的几个关键问题。首先对劲性骨架进行了理论分析和构造建议,然后介绍了施加配重的原理及方法,最后介绍了千斤顶顶开的理论和计算,对连续刚构桥梁的合拢施工有一定的指导作用。     

考虑剪切变形的RC薄壁空心墩滞回分析模型

建立了考虑弹塑性剪切变形的钢筋混凝土薄壁空心墩抗震滞回分析模型,模型中以修正的压力场理论(modified compression field theory,MCFT)计算空心墩的剪切变形,并通过Ozcebe建议的滞回规则描述剪切滞回关系,以纤维单元模型模拟空心墩的弯曲变形,两者通过串联模型共同模拟试件在地震条件下的弯剪作用．〖JP2〗利用建立的数值模型对1个矩形和3个圆形薄壁空心墩试件的滞回曲线进行了模拟分析．结果表明,不考虑剪切变形的纤维单元模型模拟的滞回曲线与试验结果有较大的误差,〖JP〗难以准确模拟滞回曲线的捏拢效应和耗能能力,并可能高估薄壁墩的刚度和残余位移,而建议的模型很好地模拟了薄壁墩的滞回性能．     

基于振动台试验的曲线桥梁抗震性能研究

为了研究S形曲线梁桥在地震作用下的动力响应及抗震性能,设计并制作一座相似比为1／20的S形曲线梁桥进行振动台试验研究。结果表明：在地震作用下,S形曲线梁桥的梁体未有明显损伤,桥墩出现裂缝,支座破坏严重;在墩底屈服之前,墩梁已发生较大相对位移,桥梁极易发生落梁破坏现象;桥墩在大震作用下的扭转耗能作用十分明显。在振动台试验基础上,对S形曲线梁桥提出一种“梁体漂浮抗震设计”的概念设计方法,为该类桥梁的抗震设计理论提供支持。     

钢筋混凝土桥墩抗震耗能能力的试验研究

文章通过对3组(共12件)配箍率不同的钢筋混凝土桥墩缩比模型分别在拟静力作用和弹塑性静力推覆作用下的试验,深入研究了钢筋混凝土桥墩的破坏型态、滞回曲线、骨架曲线、残余变型率、耗能能力和刚度退化等抗震性能;试验结果表明,随着配箍率的增大,构件的各方面抗震性能均有所提高。     

桥墩与水相互作用的振动台试验

以南京长江三桥南塔墩作为工程背景,并按照1:50的相似比设计出桥墩的模型,并选取正弦波和天津波作为加载的波形,在无水与有水两种状态下开展了振动台试验.试验数据表明,承台部分的加速度视加载波形峰值的不同有20%到40%的增幅,位移、应变等也有相应的增幅.通过试验得出的动水压力沿高程分布图表明,动水压力的分布与地震波强度明显相关.     

基于纤维截面的弯剪耦联薄壁墩柱模拟模型

钢筋混凝土（RC）桥墩构件常采用空心截面,震害调查表明其失效模式多表现为弯剪耦联的非线性破坏．本文提出一种基于纤维截面、考虑弯剪耦联变形的混凝土墩柱模拟模型．首先将双轴材料本构引入纤维材料状态的计算,然后通过纤维截面积分,得到适用于Timoshenko梁柱单元的截面刚度矩阵,最终实现考虑弯剪耦联效应的梁柱单元．其中,双轴RC本构模型采用往复软化薄膜模型（CSMM）,并对CSMM中单轴混凝土滞回模型进行修正．通过引入纤维间变形协调条件并采用Newton迭代法,确定截面和纤维状态．最后,通过一个缩尺薄壁桥墩构件拟静力试验的模拟分析进行对比验证,分析结果表明该模型精度较高,对弯剪耦联导致的强度和刚度退化以及捻缩效应模拟较好,且计算效率较实体模型高．