关键词： 高墩大跨   刚构桥   桥墩   结构分析  

摘要： 为研究适用于山区铁路的高墩大跨连续刚构,以某(72+130+72)m的常用跨度的连续刚构桥为工程背景,采用MidasCivil软件建立有限元模型,进行主墩、边墩方案优化及静力、抗震设计研究,并探究适宜的施工方案。经研究:圆端形空心墩刚度大,推荐主墩采用,边墩推荐采用支座布置;该刚构桥静力及多遇、罕遇抗震均满足规范要求;采用悬灌浇筑的施工方案最为合理。望能为同类桥梁设计提供参考借鉴。

关键词： 连续刚构桥   施工监控   标高控制   应力控制  

摘要： 高速公路修建过程中,高跨连续刚构桥型被广泛应用于山地峡道的复杂地区,而高跨连续刚构桥型的稳定性一直是建造过程中需要尤为关注的问题。连续刚性结构桥的施工工艺复杂,影响参数很多。因此,为了确保工程安全与质量,必须建立合理的施工控制体系,以保证工程质量。本文以实际施工筒车河特大桥为主要研究对象,利用MIDAS/Civil等有限元软件,对桥连结构与桥墩的稳定性问题展开深入研究,并指导现场施工、线形监测、应力监控。通过对其进行理论计量分析与数值建模仿真实验,提出若干有价值的研究结果和意见,可供同类桥梁工程的设计人员参照与借鉴。

关键词： 连续刚构桥   施工控制   参数敏感性分析   均匀试验   多元回归分析  

摘要： 为高效地开展连续刚构桥的施工控制,需对施工过程中的影响参数进行敏感性分析,确定影响连续刚构桥施工控制的主要因素,以便在施工过程中进行重点控制。依托某高墩大跨连续刚构桥施工控制工程,采用数值模拟方法,引入均匀试验和多元回归分析,根据实际情况,选取敏感性分析的影响参数为混凝土容重C、弹性模量E、张拉控制应力σ_(con)以及挂篮荷载F,研究影响参数对施工过程中最大悬臂状态和成桥状态跨中挠度的影响程度。结果表明,对于悬臂施工阶段,混凝土容重C、张拉控制应力σ_(con)和弹性模量E为敏感性参数,且参数敏感度排序为C>σ_(con)>E,挂篮荷载F为不敏感参数;对于成桥阶段,混凝土容重C、张拉控制应力σ_(con)为敏感性参数,且参数敏感度排序为σ_(con)>C,弹性模量E与挂篮荷载F为不敏感参数。

关键词： 连续刚构桥   双肢薄壁墩   组合式桥墩   有限元   稳定性   抗推刚度  

摘要： 山区高墩大跨连续刚构桥难以避免采用超高墩、高低墩设计。超高墩不仅须满足自身各施工阶段刚度需求，还须与桥梁较低墩进行刚度匹配。基于有限元对桥墩整体稳定性及纵、横向刚度进行分析计算，结果表明：超高双肢薄壁墩的自身稳定性难以满足工程要求，组合式桥墩相对双肢薄壁墩整体稳定性好，纵横向刚度高，在超高墩的应用中具有较高适用性，能为同类桥墩设计提供参考。

关键词： 高墩大跨连续刚构桥   模态参数识别   随机子空间法   EIMD   鲁棒控制  

摘要： 我国西部地区地形复杂,多为山地和峡谷地带,高墩大跨连续刚构桥与其它桥梁相比最大的优势就是跨越能力强,在西部地区越来越常见。但西部地区地震多发且强度大,高墩大跨连续刚构桥修建在高烈度地震区,地震作用将是影响高墩大跨连续刚构桥使用寿命的重要因素之一。高墩大跨桥梁属于高柔结构,在多维地震作用下,桥墩轴力加大,可能导致桥梁主梁直接发生剪切破坏,使桥梁发生毁灭性破坏。在多维地震动激励下高墩大跨桥梁的地震反应分析较为复杂,国内外虽然建造了许多高墩大跨连续刚构桥,但是大多数都还没有经历过实际地震作用,在多维地震动激励下高墩大跨连续刚构桥的地震反应研究成果也相对较少,因此对高墩大跨连续刚构桥进行多维地震反应分析是非常必要的。结构振动控制技术改变了传统的采用承重结构体系直接抵御灾害作用的思路,而采用非承重的结构控制装置或构件来减小主体承重结构的灾害响应,实现提高工程结构抵御灾害作用的能力,使工程结构在灾害作用下少损失或不损坏并完全满足设计要求有了可能。考虑到多维地震作用下高墩大跨连续刚构桥结构竖桥向振动响应明显,研究多维地震动下该类结构基于有效控制装置和控制方法是保证该类结构基于不同地震动水准的性能需求得以满足的一种有效途径。考虑到实际高墩大跨连续刚构桥结构刚度、阻尼等参数具有不确定性,本文以一四跨连续刚构桥为实际工程背景,采用具有体积小、重量轻、出力大、安装方便等优点的新型电磁质量阻尼器(Electromagnetic Inertial Mass Damper,EIMD),研究EIMD-高墩大跨连续刚构桥鲁棒控制方法,其主要研究内容如下:(1)根据实际工程背景,分别利用大型通用软件ANSYS和Midas Civil建立典型高墩大跨连续刚构桥有限元模型并进行振型分析,分析了前十阶振型发现结构振型变形方向主要为水平方向,可知连续刚构桥结构水平方向刚度较小,高阶振型对竖向影响较大。模态分析的结果初步验证了计算模型的准确性,为典型高墩大跨连续刚构桥结构动力学控制方程的建立提供可靠的结构计算参数。(2)考虑到传统LQR等主动控制算法需要结构精确计算模型以保证其控制效果和鲁棒性,为得到结构精确计算模型,本文提出一种基于随机子空间算法的高墩大跨连续刚构桥结构模态参数识别方法。通过对该类桥梁结构模拟振动冲击试验,基于模拟的结构振动响应测量信号,采用随机子空间的方法对该类结构测量信号进行模态参数识别,识别结构频率与有限元结果对比得出识别结果精度高,误差小。并通过识别结果修正有限元计算模型的结构参数,为后续连续刚构桥基于LQR算法的振动控制研究提供精确的数学模型,使得基于LQR算法的控制方法具有一定的鲁棒性。(3)根据一维、二维、多维地震动的输入组成多种工况,在一致激励和考虑行波效应的非一致激励下,研究在无控制状态各种工况下连续刚构桥的动力响应,分析发现加入竖向地震动能够加大桥梁竖向位移,高墩大跨连续刚构桥地震时程分析仅考虑纵桥向和横桥向地震输入难以保证其在不同地震动水准下的性能需求,忽略竖向地震动对该类桥梁结构的影响是不合理的。(4)在随机子空间识别方法得到的结构精确计算模型的基础上,选用体积小、出力大的新型惯性质量阻尼器(EIMD),分析其力学性能和工作原理,建立EIMD通用力学模型。建立了高墩大跨连续刚构桥在多维地震作用下基于状态空间的控制方程,提出该类结构基于LQR算法的半主动控制方法。高墩大跨连续刚构桥的最优控制力通过LQR控制算法得到,然后通过改变EIMD阻尼器的终端电阻,使阻尼器对结构的控制力和最优控制力接近,从而实现对连续刚构桥结构的最优半主动控制。与多维地震作用下的无控状态动力响应对比,分析结果得出所提控制方法对连续刚构桥结构的竖向动力响应有显著的控制效果。(5)考虑到基于模糊神经网络算法的鲁棒控制方法相比于传统振动控制方法不需要精确的数学模型的特点。提出一种EIMD-高墩大跨连续刚构桥的模糊神经网络鲁棒控制方法。研究结果表明,在结构参数存在不确定性的情况下,所提基于模糊神经网络算法的高墩大跨连续刚构桥鲁棒控制方法比传统的控制方法控制效果更好,更具有适用性和鲁棒性。

关键词： 连续刚构   减震支座   地震力   墩梁位移  

摘要： 某大跨刚构桥位于高地震烈度地区，为有效控制地震水平力，限制地震作用下的墩梁相对位移，在边墩引用了拉索减震支座。通过建立有限元计算模型研究发现：采用拉索减震支座后，边墩的顺桥方向及横桥方向的墩底弯矩和承台底弯矩明显减小；墩梁之间的纵桥向相对位移明显减小，横桥向相对位移有所释放，竖向限位作用发挥明显。

关键词： 多跨连续刚构桥   耐震时程法   增量动力分析法   损伤发展   地震易损性   行波效应  

摘要： 非规则高墩大跨连续刚构桥以其经济性、适应地形能力强、跨度大等特点成为西南山区等复杂地形区域的首选桥型。这类高墩桥梁不但位于地震多发区,而且超过了现行规范的应用范围,给设计师带来了一定困难。目前,已有的大跨度桥梁易损性分析都是主要采用一致激励的情况,不考虑地震空间效应。但对于大跨度类桥梁结构,由于跨度大,各支点处地震波时滞明显,因此有必要在桥梁抗震性能评估中考虑行波效应。针对非规则高墩大跨连续刚构桥开展相应的研究,对完善特殊桥梁抗震设计理论尤为重要。耐震时程方法(Endurance time method,ETM)作为一种新的抗震性能方法,其地震幅值随时间不断增大,仅需少次非线性时程分析就可得到结构在不同地震强度下的响应,在大型复杂结构的非线性动力分析中极具优势。本文以一座墩高192米的七跨连续刚构桥为研究对象,利用耐震时程方法对桥梁进行了地震响应和损伤发展分析,与IDA分析结果验证了该方法在复杂特殊桥梁中的适用性。在此基础上,开展了考虑行波效应的高墩大跨连续刚构桥地震易损性分析。本文主要研究内容如下:(1)耐震时程加速度曲线(Endurance time accelerogram,ETA)要求是从零时刻起到某一时刻t内其加速度反应谱与时间t成正比,采用非线性最小二乘法求解无约束变量优化方程,优化合成了三条持续时长为30s且符合我国桥梁抗震规范反应谱的耐震时程曲线,并将其在各时间段内的加速度反应谱、速度反应谱、位移谱与规范谱进行了对比。(2)基于CSiBridge软件建立三维空间有限元模型,将合成的三条耐震时程曲线分别沿纵、横桥向输入,同时选取7条天然地震动进行增量动力分析,对比研究了不同地震强度下桥梁地震响应,研究结果表明耐震时程方法可高效较准确预测高墩大跨连续刚构桥在不同地震强度荷载作用下的动力响应,其结果处于增量动力分析结果包络值内,避免了多次调幅,节省了大量计算时间。以墩顶、墩底开始屈服曲率为指标,对比讨论了两种方法下塑性铰出现顺序,结果表明仅需3次时程分析就可较好地预测桥梁结构破坏过程,可成为快速预测结构失效的一种高效手段。(3)应用耐震时程方法并结合位移加载(DM)法探究了行波效应对桥梁地震响应的影响,结果发现:不同方向的行波激励对同一构件产生不同的影响;刚度较大的单肢空心薄壁墩在行波效应下规律性明显,而刚度较小的双肢实心墩在行波效应下规律与响应类型有关;一致激励下激励方向的改变不会对结构动力响应造成影响。通过将耐震持时t转化为谱加速度,基于能力需求比对数回归曲线可绘制出桥梁地震易损性曲线,研究结果表明行波效应会降低单肢空心薄壁墩发生轻微损伤和中等损伤的概率,但会增加支座发生破坏的概率;近波源处构件地震易损性受行波效应影响显著,较于远波源处构件更容易发生损伤破坏;评估行波效应对双肢实心墩地震易损性时需考虑激励方向。

关键词： 装配式桥墩   高墩桥   抗震性能   滞回性能   稳定性  

摘要： 高墩大跨连续刚构桥以其优异的跨越能力成为极具竞争力的桥型,而桥墩装配式的施工方法解决了整体现浇桥墩施工存在的如占地面积大、生产周期长、环境污染严重等问题,并可有效降低成本。目前桥梁建设仍以传统现场整体浇筑施工为主,高墩大跨连续刚构桥装配式墩身的研究和应用较少,抗震性能和稳定性能仍处于探索阶段。本文研究了高墩连续刚构桥装配式墩身的力学特性、抗震性能和稳定性能,内容包含四个方面:(1)对已有装配式桥墩理论和工程实际进行分析,确定适用于本文的研究方向和分析方法。基于整体现浇桥墩和装配式桥墩的试验建立模型,考虑材料单元和本构模型的选取并分析构件接触和边界问题,对试验模型等比例构拟,将计算结果与试验结果数据进行交叉比对。(2)以实际工程设计为依托,以模型拟合理念为基础,构建原桥整体现浇桥墩模型,设计适用于高墩连续刚构桥的装配式桥墩模型,进行桥墩静力性能和抗震性能的分析。以既有装配式桥墩模型为基础调整了恒载轴压比、预应力筋配筋率、桥墩高宽比、桥墩节段数量四组参数,进行拟静力试验,计算设计参数对结构滞回曲线、残余位移、累计耗能等方面的影响。结果表明:在静力性能方面,装配式桥墩受节段接缝影响,压应力损伤和拉应力损伤分布与现浇桥墩略有区别,但整体静力响应上相似;在抗震性能方面,装配式桥墩残余位移更小,具有更强自复位能力;设计参数影响分析上,主要影响程度由大到小依次为:预应力筋配筋率、桥墩高宽比、恒载轴压比、桥墩节段数量。(3)计算了桥墩的周期和频率,结合实际工程场地特征选取三条地震波,以墩顶位移时程、墩底剪力时程、墩底弯矩时程作为评价指标,使用动力时程法对整体现浇桥墩和装配式桥墩进行动力对比分析。结果表明,装配式桥墩延性优良,结构大位移出现时刻滞后于现浇桥墩,恢复能力强,平均位移分别仅为现浇桥墩位移平均值的48.3%、88.2%、77.4%,拥有良好的自复位能力,但整体性和刚度略逊于现浇桥墩。地震动作用下装配式桥墩节段间接缝处会产生小面积滑移和张开,滑移和张开量随桥墩节段高度升高而减小。(4)建立了桥梁不同施工阶段模型,分析在裸墩阶段、最大悬臂阶段和全桥阶段中,不同工况下装配式桥墩的高墩刚构桥稳定性能,得到性能变化规律,并从稳定性的方面对装配式桥墩进行全桥适用度验证。结果显示,自重对稳定性影响最大,且三个阶段中各工况下最小稳定性系数分别为35.01、17.13、18.97,最大悬臂阶段稳定性最差,裸墩阶段稳定性最好。装配式桥墩在桥梁施工全过程的适配性良好,满足稳定性要求。

关键词： 连续刚构桥   稳定性   静风荷载效应   温度荷载效应   施工控制  

摘要： 总结以往高墩大跨连续刚构桥施工及监控经验,得出控制桥梁稳定性的两个主要因素为随机风荷载以及日照和环境温度改变引起的荷载。通过结合实际工程,建立工农桥有限元模型,进而分析静风效应、温度效应对桥梁不同施工阶段稳定性的影响,基于自适应施工控制方法进行线形、应力监测。文本主要研究如下:(1)依据《公路桥梁抗风设计规范》、《建筑结构荷载规范》计算不同施工状态下主桥各位置处的风荷载值。对于位于山谷间的桥梁,其桥墩横桥向风荷载可参考两种规范的简单算法计算,即桥墩在10m～70m高度的风荷载按《抗风规范》计算值确定,10m高度以下与70m高度以上的风荷载按《抗风规范》计算值的1.04倍确定。(2)采用有限元软件Midas Civil建立主桥仿真模型,基于多重Ritz向量法分析其自振特性,可知主桥横向刚度较差,因此在抗风分析中着重于主桥横桥向变形。通过加载5种不同基本风速对应的横桥向风荷载值进行最高裸墩阶段、最大悬臂阶段、成桥阶段的静风荷载效应分析。结果表明:成桥阶段主梁的抗风性优于最大悬臂阶段,主墩横向变形在最高裸墩阶段最不利;主梁组合应力最大值出现在最大悬臂阶段边跨1/4位置处,在梁端、中跨合拢部位、布置主墩处发生突变,成桥阶段与最大悬臂阶段主墩整体压应力明显高于最高裸墩阶段。(3)探究均匀温度效应与非线性梯度温度效应对主梁运营阶段线形及应力的变化规律。结果显示:纵向位移最大值出现在边跨中点处,约束处的纵向位移小于远离约束位置的纵向位移,竖向位移最大值出现在中跨中点处;应力最大值出现在主梁梁端处,但季节均匀温度效应中下缘应力在边跨1/3位置达到边跨应力最大值、中跨中点处的应力达到主梁最大值。(4)根据施工现场出现工期滞后的问题,提出施工优化方案。由静风、温度荷载效应应力分析中的最不利截面位置确定监控控制断面,基于自适应施工控制方法对各控制断面进行线形、应力监测,结果表明:工农桥线形控制精度与应力均满足设计要求,结构安全稳定。

关键词： 深水大跨桥梁   动水压力   桩土相互作用   地震易损性分析   粘滞阻尼器  

摘要： 随着我国西部山区、库区基础建设的不断推进,高墩大跨连续刚构桥因其具有跨越能力强、地形适应性好、受力形式合理、墩梁一体等优点,被广泛应用于西部地区的路网建设中。然而,该类桥梁由于其所处环境的特殊性,桥梁结构往往面临着复杂多变的作用效应。以位于深水环境下的高墩大跨连续刚构桥为例,在地震作用下,桥墩振动会引起墩周水体与之产生相对运动,运动水体会对桥梁下部结构产生动水压力,继而改变桥梁动力特性。另外,有研究表明,桥梁结构与土体间的相互作用也会对桥梁结构的地震响应产生影响。但是,目前关于地震作用下高墩大跨桥梁动水压力、桩土相互作用以及二者联合作用的研究尚不够完善。 因此,本文以某库区一跨径布置为(145+260+145)m的高墩连续刚构桥为工程背景,采用OpenSEES开源平台建立桥梁有限元模型并进行时程分析。基于概率地震需求分析方法求解不同工况下桥梁模型的易损性曲线。探讨动水压力、桩土相互作用对桥梁易损性的影响,并根据分析结果对桥梁进行减震设计。本文主要研究工作如下: (1)介绍了国内外桥梁地震易损性研究现状以及易损性分析手段,详细阐述了动水压力以及桩土相互作用的计算模拟方法。采用拉丁超立方抽样法来考虑不确定性在易损性分析中的传递情况并给出了桥梁地震易损性分析流程。基于OpenSEES软件建立桥梁非线性有限元模型并根据桥址场地条件和规范要求选取了地震波记录,建立了结构-地震动样本库。 (2)分析选取了适用于高墩大跨连续刚构桥的损伤指标,决定选用桥墩系梁底截面、墩底截面以及球型钢支座作为易损性分析中的危险构件。基于概率地震需求分析方法求解不同工况下桥梁易损构件以及桥梁系统的易损性曲线。研究结果表明:球钢支座是最易损构件,地震作用下,支座与墩底截面发生四种损伤状态均有可能,而系梁底截面主要发生轻微损伤和中等损伤。考虑动水压力和桩土相互作用后,桥梁自振周期会有所增加。地震作用下,动水压力和桩土相互作用会增大易损构件的动力响应,提高其损伤超越概率。对于墩底截面而言,桩土相互作用会削弱该截面的动力响应,降低其发生损伤的可能性。考虑动水压力、桩土相互作用后,桥梁系统发生失效的概率上下界显著增大,忽略二者效应会高估桥梁的抗震性能。 (3)探究了粘滞阻尼器对高墩大跨连续刚构桥的减震控制功效,通过粘滞阻尼器参数敏感性分析,确定了最优阻尼参数。研究结果表明:在可控范围内,粘滞阻尼器阻尼系数C越大、速度指数α越小,减震控制效果越好。增设阻尼器后,主墩墩底弯矩、主墩墩顶位移均得到了有效控制,各易损构件发生损伤的失效超越概率也显著降低,证明增设粘滞阻尼器可有效提高深水高墩大跨连续刚构桥的抗震性能。