关键词： 桥梁工程   连续刚构桥   等效荷载法   施工过程   内力状态   地震反应  

摘要： 为研究实际施工过程和混凝土收缩徐变对连续刚构桥成桥内力状态的影响以及不同内力状态下主桥的地震反应差异,以某大跨高墩连续刚构桥为背景,建立了MIDAS/Civil施工阶段分析模型,并讨论了各施工因素对主桥内力状态的影响;基于等效荷载法提出了适用于连续刚构桥的内力等效荷载计算方法,通过将主桥内力进行分解,以若干简单的内力等效荷载分别进行等效,再利用叠加原理求和,得到符合实际情况的等效内力状态;采用OpenSees建立了全桥非线性动力分析模型,并施加不同内力状态所对应的内力等效荷载,使其处于对应的等效内力状态;选取40组典型速度脉冲型近断层地震动记录为输入,开展了不同内力状态下全桥非线性动力时程分析。分析结果表明:若忽略主桥预应力作用,将高估主梁最大弯矩约2.8倍,高估主墩墩顶和墩底最大弯矩分别约3.5、2.0倍,且弯矩方向皆与实际情况相反,故预应力作用对连续刚构桥内力状态的影响不可忽视;墩梁固结附近主梁等效内力峰值与目标内力峰值的最大误差在5%以内;近断层地震动作用下,主墩侧移角、曲率延性系数和塑性铰区钢筋最大应变都随混凝土收缩徐变的增加呈逐渐减小的趋势,沿纵桥向则更为明显;提出的内力等效荷载计算方法可为高烈度区连续刚构桥抗震设计和性能评估提供参考。

关键词： 高墩大跨刚构桥   顶推施工   合龙温差   水平位移  

摘要： 以某高墩大跨连续刚构桥为研究对象,通过有限元分析的方式进行建模分析。分别探讨了该桥梁墩顶在永久作用和合龙温差条件下的水平位移,并以此为基础计算所需顶推力,最终得出在12~17℃的合龙温度下的顶推力,为桥梁在非设计温度下的合龙施工提供参考。

关键词： 高墩大跨   连续刚构桥   概念设计  

摘要： 为研究高墩大跨连续刚构桥的概念设计,基于实际设计项目,综合考虑桥梁的高墩、大跨、曲线桥特点和桥位处的强地震、高风速、严寒区等自然环境因素,从选线、桥型、景观、跨径、尺寸、刚度、稳定、抗震、施工、造价、材料和结构验算等角度出发,分析总结了高墩大跨连续刚构桥的设计思路及注意事项,从而为同类桥梁设计提供参考方法。

关键词： 高墩大跨连续刚构桥   内力状态   地震损伤   波形钢腹板   减震措施  

摘要： 连续刚构桥作为桥梁结构常用桥型之一,其最大的特点是墩梁固结,桥梁整体性强,具有出色的抗震能力。由于连续刚构桥在施工期间会进行多次体系转换,从而导致施工阶段的内力状态与成桥阶段有很大的不同。因此,需要对施工阶段中的诸多因素进行充分考量,以确定其对成桥内力的影响。本论文以一座由(120+220+120)m连续刚构+(4×40)m简支T梁组成的高墩大跨连续刚构桥为研究背景,考虑施工过程的影响,采用增量动力分析(IDA)方法,研究地震作用下主梁与主墩的损伤以及预应力钢束的应力变化情况。在此基础上,采用波形钢腹板代替混凝土腹板、在过渡墩处引入铅芯橡胶支座及液体粘滞阻尼器等减震措施,分析上述措施对连续刚构桥地震损伤的控制效果。主要研究工作如下:(1)归纳了连续刚构桥的震害特征,总结了连续刚构桥的地震反应以及损伤控制的研究现状。(2)采用Midas civil建立了高墩大跨连续刚构桥的施工模拟分析模型,获得了连续刚构桥在不同施工阶段和成桥时的内力状态,并在此基础上建立了相应的动力分析模型。(3)考虑预应力钢束应力变化对结构地震反应的影响,分析了预应力增量对主梁混凝土顶板、腹板、底板地震应力的影响。采用IDA方法获得了主梁顶板、腹板、底板混凝土开裂的地震动峰值加速度(PGA)以及在地震作用下连续刚构桥的易损位置,并得到了考虑动轴力影响下主墩墩顶、墩底位置混凝土开裂时的PGA。(4)采用波形钢腹板代替混凝土腹板的减震措施,建立了相应的有限元分析模型。依据相关设计规范,对施工阶段、正常使用及承载能力极限状态和波形钢腹板的剪切屈曲稳定进行了校核与验算。对比分析了混凝土腹板刚构桥与替换腹板后刚构桥主梁与主墩的损伤情况,对替换腹板后刚构桥的主墩纵桥向混凝土壁厚进行了调整,对主墩局部施加预应力钢束以及桥墩间设置横系梁以进一步提升桥墩的抗震性能。(5)在0#桥台与3#过渡墩处设置3种规格的铅芯橡胶支座,通过对比分析主梁与主墩的损伤控制效果选出支座最优型号。在墩台相同位置设置液体粘滞阻尼器,通过分析阻尼参数对连续刚构桥地震损伤的影响确定最优参数。最后对比分析铅芯橡胶支座与液体粘滞阻尼器对连续刚构桥地震损伤的控制效果。

关键词： 施工监控   有限元   参数敏感性   灰色理论   GM模型  

摘要： 西南部地区山势险峻沟壑纵横,高墩大跨连续刚构桥能够很好的适应山区地形,近年来在西南地区交通建设中逐渐占据了重要地位。高墩大跨连续刚构桥因桥墩和主梁规模较大结构偏柔性,所以对施工过程中环境因素的影响更加敏感。为保障施工安全和全桥顺利合龙,便要依靠于施工监控,目前国内桥梁施工监控技术已经较为成熟,但控制理论还较为缺乏。基于此,本文以重庆巫溪县境内西溪河大桥为研究对象,以灰色理论为基础,对桥梁施工监控展开研究,主要工作及取得的相应研究成果如下:1、介绍施工监控理论和灰色理论。介绍桥梁施工监控的方法和监控的主要内容;详细介绍了灰色理论的概念和建模流程,对比了多种典型灰色预测模型的特点,并根据其特点选择了适合本文的预测模型——等维新息GM(1,1)模型。2、建立依托工程有限元模型。利用有限元软件Midas/Civil建立西溪河大桥仿真分析模型,采用正装计算法进行施工全过程的仿真分析,获得主梁各施工阶段的挠度和应力理论值。3、分析灰色预测模型的参数敏感性。众多影响因素中,桥墩初始缺陷、温度荷载和风荷载均会对高墩大跨连续刚构桥的施工产生较大影响,分析了灰色预测模型对桥墩初始缺陷、温度荷载和风荷载三类参数的敏感性。4、提出一种灰色预测模型的优化方法。针对原始数据离散性较大会引起灰色模型预测结果误差偏大的问题,提出了一种原始数据预处理的方式以优化预测模型,并建立了原始模型和优化模型两种灰色模型进行主梁挠度与应力的预测。5、对比两种预测模型的精度。应用残差、后验差和相似度检验方法,结合施工现场实测数据,对两种模型的预测结果进行精度对比。

关键词： 主余震型地震动   降维模拟   谱表示方法   本征正交分解   Copula理论   高斯过程回归   高墩大跨连续刚构桥   概率密度演化理论   动力可靠度分析  

摘要： 地震灾害具有显著的随机性、非平稳性、序列性和空间变异性,是破坏效果最强的自然灾害之一。高耸结构、桥梁结构、网壳结构、地下管网结构等重大工程结构在服役期间极有可能会收到地震灾害影响。因此,如何保障重大工程结构在地震灾害作用下服役性能与效果,是土木工程领域中研究的重点。迄今为止,各国抗震设计规范大多基于主震编写,忽略了地震动的序列性,这将导致结构在序列型地震动作用下无法满足抗震设计要求,造成进一步损失。因此,合理地构建序列型地震动间的关系,并进行建模,是对重大工程结构合理抗震设计和结构动力反应分析的基础与前提。目前,经典的Monte Carlo方法已经广泛地应用于随机动力灾害的建模中。然而,该方法存在着两大待攻克的难题:第一,Monte Carlo往往需要高维的随机变量,以达到令人满意的模拟精度,这将导致样本数量过高,严重影响了结构动力响应分析的计算效率;第二,Monte Carlo本质上属于随机抽样方法,生成的样本不具有赋得概率,无法获得完备的概率信息,因此难以对大型工程结构进行精细化的动力响应可靠度分析。鉴于此,本文在经典随机过程以及随机向量过程的模拟方法基础上,引入了随机函数-降维模拟方法,仅需1-2个随机变量数量即可在概率层面上高效模拟地震动过程与地震动向量过程。进一步,降维方法可与概率密度演化方法相结合,为随机地震灾害作用下工程结构的动力反应及抗震整体可靠度精细化计算分析提供有效途径。本文着重研究地震动的序列性,基于降维方法实现了主余震型地震动过程和主余震型地震动随机场的建模,并以高墩大跨刚构桥作为研究对象,采用概率密度演化方法对进行了地震动力响应和可靠度分析,为复杂工程结构在主余震型地震动作用下的抗震优化设计奠定基础。本文的研究内容如下:(1)详细推导了非平稳(向量)过程的传统模拟方法,并在此基础上引入了正交随机变量的随机函数约束,克服了传统Monte Carlo方法的桎梏,实现了非平稳(向量)过程在概率层面的高效模拟。(2)本文以实测强震记录作为理论依据,根据特定条件严格筛选实测主余震强震记录,并进行基线校正、高通滤波、能量截取等一系列处理,以使研究结果更加合理。(3)建议了传统演变功率谱模型参数的一体化识别方法和分离识别方法,并对实测主余震强震记录进行参数识别。根据参数识别结果,分别从确定性关系层面,数据驱动层面和概率层面构建了主余震间的参数相关结构,并将主余震型地震动看作两个独立的随机过程,利用谱表示-随机函数方法,实现了主余震型地震动过程在概率层面的高效模拟。(4)基于实测主余震强震记录,构建了主震和余震间的迟滞相干函数模型,将主余震型地震动看作一个向量过程,采用本征正交分解-随机函数方法,实现了主余震型地震动向量过程的一体化降维模拟。进一步,将空间相干函数模型和主余震迟滞相干函数模型相结合,进一步实现了主余震型地震动随机场的降维模拟。(5)以高墩大跨刚构桥作为研究对象,采用ANSYS构建桥梁模型。以人工生成的主余震型地震动随机场过程作为地震动输入,结合概率密度演化方法,对结构进行精细化的随机动力响应分析和可靠度研究。

关键词： 波形钢腹板   地震易损性   概率需求分析   桥梁抗震性能分析  

摘要： 近年来,波形钢腹板组合箱梁桥因其具有受力合理、自重轻、抗震性好、施工高效、经济性优等特点,在强震区的高墩大跨桥梁建设中具有较好的适用性。虽然目前已经对高墩大跨波形钢腹板组合箱梁桥的静力学特性、疲劳特性和剪力连接键等展开了很多研究,但对其抗震性能的研究较少。桥梁地震易损性分析不同于传统抗震研究直接通过桥梁结构地震响应等进行简单对比,而是基于大量的数据分析,综合多种因素形成易损性曲线。它不仅可以反映结构的抗震能力,也可以为其他如地震损失估计、地震应急决策等研究提供基础数据,是基于性能设计思想下重要的研究内容,在未来将具有很好的应用和发展前景。因此,本文为了研究高墩大跨波形钢腹板组合箱梁桥在地震作用下抗震性能,以一座六跨高墩波形钢腹板连续刚构桥为研究实例,通过Open Sees有限元分析软件建立非线性分析模型,采用基于概率需求分析(PSDA)方法进行桥梁地震易损性分析,以此来评估波形钢腹板刚构桥的抗震性能。本文研究的主要内容和结论如下:(1)介绍了波形钢腹板组合箱梁桥结构和应用的基本情况。在基于性能设计的思想下引出易损性的基本概念和方法,梳理和总结了桥梁地震易损性分析的基本过程。(2)基于Open Sees有限元分析软件建立考虑建模相关不定性的非线性分析模型,对每组模型进行非线性动力时程分析,建立100组地震响应数据样本。基于M-φ曲线分析,定量分析桥墩的损伤指标,并采用概率需求分析(PSDA)方法对波形钢腹板连续刚构桥的各个桥墩进行易损性分析,形成各桥墩易损性曲线。(3)高墩大跨桥梁在不同水平方向地震作用下,桥墩墩身的易损位置分析。研究表明:在纵桥向地震作用下,桥墩的易损部位为顶部和底部;在横桥向地震作用下,桥墩的易损部位为底部。(4)研究桥梁系统内不同桥墩的易损状况。研究表明:不同桥墩的损伤状况不同,对强震区桥梁结构设计,应依据桥墩的高度差异和截面形式等因素,对桥梁系统内各桥墩的刚度进行合理配置。(5)研究墩高变化对高墩大跨桥梁的易损性影响。研究表明:从地震易损性的角度分析,桥墩的损伤概率与墩高的变化成反比,随墩高增加而降低,这种变化趋势在墩底截面表现得更加明显。说明在一定程度上增加墩高,有利于提升桥墩的抗震能力。(6)从构件和系统两个层面研究上部主梁重量变化对连续刚构桥地震易损性的影响。采用一阶界限估计法建立桥梁系统易损性曲线,并考虑上部主梁重量的变化,从构件层次和系统层次两方面对波形钢腹板刚构桥和普通混凝土刚构桥的易损性曲线进行对比研究。研究表明:在单个桥墩构件和整体系统两个层面,波形钢腹板刚构桥都具有更好的抗震性能。

关键词： 高速铁路   整体式连续刚构桥   轨道约束   碰撞效应   减震设计  

摘要： 随着我国高速铁路建设的蓬勃发展,一些新型结构体系已逐步应用到高速铁路桥梁中。其中整体式连续刚构桥的桥墩与主梁均固结,全桥不设支座,提高了结构的整体刚度,更能适应高速铁路桥梁的未来发展方向。但该结构体系在我国的应用处于初始阶段,对其抗震性能缺乏研究。为此,本文以新建福厦高速铁路泉州湾跨海大桥引桥为工程背景,系统地对高速铁路整体式连续刚构桥的抗震和减震性能进行研究。论文主要内容和结论如下: (1)采用ANSYS建立了整体式连续刚构桥的动力模型并进行验证,阐明了结构地震响应特点:地震作用下主要由中墩进行有效耗能,塑性铰出现的顺序依次为中墩墩顶、边墩墩顶、中墩墩底、边墩墩底;相较于边墩,中墩内力更为控制;相较于墩底,墩顶内力更为控制。 (2)分析了轨道约束对结构动力特性和地震响应的影响,并讨论了线路纵向阻力和后续结构联数对结构响应的影响规律。结果表明,轨道约束对结构低阶频率、振型的影响较大。同时显著减小了结构的位移和内力响应,对边墩墩顶内力的减小程度在20%～158%之间,而对中墩墩顶的减小程度在44%以内。桥墩位移和内力随着线路纵向阻力的增加而减小,随着后续结构联数的增加而增大。其中线路纵向阻力的变化对结构响应的影响较小,而后续结构联数的变化对结构响应的影响较大且对边联结构的影响程度远大于中间联结构。 (3)探讨了桥墩高度、边墩刚度以及邻联墩高差等结构参数对结构地震响应和轨道约束影响程度的影响规律。研究结果表明,桥墩高度变化对有无轨道约束下的墩顶内力影响规律相反,但墩顶位移均随着墩高的增大而增大。轨道约束对结构响应的减小程度总体上随着墩高的增大而增大;有无轨道约束下,各墩顶内力均随着边墩刚度的增加而增加,其中对边墩的增大程度远大于中墩。轨道约束对结构的减小程度随着边墩刚度的增大而减小;随着相邻联墩高差的增大,相邻联梁端相对位移显著增大,会使梁端发生碰撞效应。相邻联墩高差越小,轨道约束对梁端相对位移的减小程度就越大。 (4)建立了考虑碰撞效应的分析模型,研究了地震动特性对结构地震响应的影响规律。结果表明,增大地震强度或减小地震波频谱特性PGA/PGV值,会显著增大梁端处的碰撞力、碰撞次数以及墩顶响应。远场地震同样有可能包含脉冲效应,可能会对结构响应产生较大的影响,近、远场地震对结构地震响应的差异程度在21%以内。 (5)探讨了粘滞阻尼器和速度锁定器对结构减碰减震效果的影响规律。研究结果表明,不考虑轨道约束时,粘滞阻尼器和速度锁定器对结构的减碰减震效果显著。各墩墩顶位移、内力以及相邻梁端的碰撞力、碰撞次数均随着阻尼系数C的增大而减少,随着α的增大而增大。考虑轨道约束会很大程度上限制粘滞阻尼器和速度锁定器的耗能发挥,对结构的减震效果并不很明显,反而会略微地增大中墩墩顶的内力。故对桥梁减震设计时,不能忽略轨道约束的影响。 (6)针对高速铁路整体式连续刚构桥的结构特点,提出了一种单向多阶耗能FBD阻尼器,并对其进行了拟静力试验与参数化研究。结果表明,在往复位移荷载作用下,FBD阻尼器试件的滞回曲线具有明显的不对称性,其受压耗能显著大于受拉,是一种单向受压耗能的阻尼器。优化后的FBD阻尼器其承载力—位移关系曲线在第一象限分为三个阶段,成阶梯型,体现了分阶耗能的效果,并在循环荷载作用下表现出稳定的性能。影响FBD阻尼器性能的主要参数是鱼刺骨的厚度,其次是宽度,最后是长度和半径。