• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

地震空间变化性对高墩铁路桥碰撞响应的影响

康锐 郑凯峰 李晰 贾宏宇 郑史雄

康锐, 郑凯峰, 李晰, 贾宏宇, 郑史雄. 地震空间变化性对高墩铁路桥碰撞响应的影响[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(3): 483-491, 499. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.008
引用本文: 康锐, 郑凯峰, 李晰, 贾宏宇, 郑史雄. 地震空间变化性对高墩铁路桥碰撞响应的影响[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(3): 483-491, 499. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.008
KANG Rui, ZHENG Kaifeng, LI Xi, JIA Hongyu, ZHENG Shixiong. Effect of Ground Motion Spatial Variations on Pounding Response of High-Pier Railway Bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(3): 483-491, 499. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.008
Citation: KANG Rui, ZHENG Kaifeng, LI Xi, JIA Hongyu, ZHENG Shixiong. Effect of Ground Motion Spatial Variations on Pounding Response of High-Pier Railway Bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(3): 483-491, 499. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.008

地震空间变化性对高墩铁路桥碰撞响应的影响

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.008
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51308465

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 SWJTU2014CX037EM

国家自然科学基金资助项目 51508473

详细信息
    作者简介:

    康锐(1976-), 男, 博士生, 研究方向为桥梁结构抗震及减震, E-mail:rkang@swjtu.edu.cn

    通讯作者:

    李晰(1984-), 男, 讲师, 博士, 研究方向为桥梁结构抗震及减震, E-mail:xi.li@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U452.2.8

Effect of Ground Motion Spatial Variations on Pounding Response of High-Pier Railway Bridge

  • 摘要: 为了研究不同地震动参数对高墩铁路桥碰撞的影响,以一座典型高墩铁路桥为例,基于OpenSees平台采用弹塑性动力时程分析方法对其在一致激励及多点激励下的碰撞响应进行了理论分析.首先,采用Hertz-damp模型充分考虑了结构在碰撞过程中的能量耗散和刚度变化;其次,依据中国桥梁抗震规范并基于"谱兼容"的方法选取了符合不同场地条件的天然地震记录;最后,在此基础上完成了考虑行波效应和场地效应的高墩桥碰撞响应对比分析.研究结果表明:地震动的空间变化性不但会对桥梁结构的内力产生显著影响,还会增大结构的振幅或加剧相邻结构之间的不同步振动,从而显著增大碰撞发生的概率和碰撞力的大小,在桥梁的抗震设计中应考虑其对桥梁结构碰撞产生的影响,否则会错误的估计结构的响应;行波效应会改变地震动的相位角,对梁-梁处的碰撞影响更为显著,特别是视波速较小时,而场地效应会增大地震动的幅值,对梁-桥台处的碰撞影响更为显著,在进行防撞减撞设计时不但要考虑地震动的空间效应,还应充分考虑导致结构不同部位发生碰撞的主要因素,以便采取合适的减撞措施和设计方法.

     

  • 图 1  全桥布置

    Figure 1.  Layout of the high-pier bridge

    图 2  三维有限元模型示意

    Figure 2.  Schematic view of 3-D FEM model

    图 3  各场地条件下地震动反应谱与目标反应谱比较

    Figure 3.  Comparison of the target spectrums and the spectrum of selected ground motions for different site condition

    图 4  地震波加速度时程与位移时程

    Figure 4.  Time history of earthquake acceleration and displacement

    图 5  考虑地震动空间效应的碰撞力对比

    Figure 5.  Compare of pounding considering spatial effects

    图 6  桥梁结构响应峰值对比图

    Figure 6.  Comparison of peak seismic responses of bridge structure under different conditions

    表  1  混凝土本构模型各参数取值

    Table  1.   Parameters of concrete material model

    特征参数 无约束混凝土 约束混凝土
    弹性模量E0/GPa 32.5 32.5
    最大压应力fpc/MPa 26.8 34.8
    最大压应变εc0 0.003 0.002
    极限压应力fpcU/MPa 5.36 6.96
    极限压应变εU 0.010 0.042
    最大拉应力ft/MPa 3.75 4.87
    下载: 导出CSV

    表  2  钢筋本构模型各参数取值

    Table  2.   Parameters of steel material model

    弹性模量Es0/GPa 屈服强度fps 应变硬化系数b
    200 330 0.01
    下载: 导出CSV

    表  3  Hertz-damp简化模型特征参数

    Table  3.   Properties of Simplified Hertz-damp model

    特征参数 取值
    Hertz-damp理论模型的碰撞刚度Kh/(kip·in-3/2) 25 000
    Hertz系数n 3/2
    回归系数e 0.8
    最大入侵位移δm/mm 16
    屈服参数a 0.1
    屈服位移δy/mm 1.6
    等效刚度Keff/(kN·mm-1) 3 472
    初始刚度Kt1/(kN·mm-1) 8 472
    应变硬化刚度Kt2/(kN·mm-1) 2 916
    初始间隙gp/mm 100
    下载: 导出CSV

    表  4  支座参数取值

    Table  4.   Values of bearing parameters

    参数 支座1 支座3 支座4 支座5 支座6
    滑动摩擦因数μd 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
    上部结构重力R/kN 9 582.2 9 575.7 3 250.9 8 647.4 3 260.6
    临界滑动摩擦力Fmax/kN 191.64 191.51 65.02 172.95 65.21
    屈服位移xy/m 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004
    初始刚度k/(kN·m-1) 47 911.0 47 878.5 16 254.5 43 237.0 16 302.6
    下载: 导出CSV

    表  5  不同场地条件下目标反应谱参数

    Table  5.   Parameters of target spectra under different site conditions

    参数 硬场 中硬场 软场
    特征周期Tg/s 0.25 0.35 0.45
    场地系数Cs 0.9 1.0 1.0
    抗震重要系数Ci 1.7
    阻尼调整系数Cd 1.0
    基本加速度峰值A/(×g) 0.3
    下载: 导出CSV

    表  6  所选地震动详细信息

    Table  6.   Detail of selected ground motions

    编号 地震名称 年份 记录点 场地类型 PGA/(×g) MSE f
    RSN1614 Duzce Turkey 1999年 Lamont 1061 硬场 0.20 0.104 1 1.98
    中硬场 0.29 0.096 6 2.85
    软场 0.34 0.137 2 3.40
    RSN1633 Manjil Iran 1990年 Abbar 硬场 0.22 0.087 2 0.45
    中硬场 0.32 0.097 7 0.64
    软场 0.38 0.133 3 0.77
    RSN3750 Cape Mendocino 1992年 Loleta Fire Station 硬场 0.18 0.132 6 0.68
    中硬场 0.26 0.082 7 0.98
    软场 0.31 0.068 5 1.17
    下载: 导出CSV

    表  7  多点激励工况

    Table  7.   Cases for multiple-excitation

    计算内容 地震编号 场地条件 视波速/(m·s-1)
    一致激励 RSN1614
    RSN1633
    RSN3750
    中硬场 无穷大
    行波效应 RSN1614
    RSN1633
    RSN3750
    中硬场 300
    800
    场地效应 RSN1614
    RSN1633
    RSN3750
    F-M-S-F-M-S-F
    F-M-S-F-M-S-F
    F-M-S-F-M-S-F
    无穷大
    注: F-M-S-F-M-S-F依次表示桥台1、桥墩1~5以及桥台2墩底处的场地条件, F表示硬场, M表示中硬场, S表示软场.
    下载: 导出CSV

    表  8  结构动力特性

    Table  8.   Dynamic characteristics of bridge structure

    结构形式 振动频率fFq/Hz 振型
    连续刚构桥 0.8 纵漂
    连续梁桥 1.2 纵漂
    下载: 导出CSV
  • 宋晓东, 李建中.山区桥梁的抗震概念设计[J].地震工程与工程振动, 2004(1):92-96. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2004.01.015

    Song Xiaodong, LI Jianzhong. Seismic conceptual design for mountain bridges[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2004(1):92-96. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2004.01.015
    李建中, 范立础.非规则梁桥纵向地震反应及碰撞效应[J].土木工程学报, 2005, 38(1):84-90. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2005.01.011

    LI Jianzhong, FAN Lichu. Longitudinal seismic response and pounding effects of girder bridges with unconventional configurations[J]. China Civil Engineering Journal, 2005, 38(1):84-90. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2005.01.011
    王军文, 李建中, 范立础.非规则梁桥伸缩缝处的碰撞对地震反应的影响[J].土木工程学报, 2006, 39(1):54-59. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2006.01.011

    WANG Wenjun, LI Jianzhong, FAN Lichu. Effect of pounding at expansion joints on seismic response of irregular girder bridges[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(1):54-59. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2006.01.011
    高玉峰, 蒲黔辉, 李晓斌.考虑碰撞效应的双柱式高墩桥梁非线性地震反应特性研究[J].公路交通科技, 2011, 28(4):36-45. doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2011.04.007

    GAO Yufeng, PU Qianhui, LI Xiaobin. Nonlinear seismic response characteristics of bridge with double-column high-rise piers considering pounding effect[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011, 28(4):36-45. doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2011.04.007
    邓育林, 雷凡, 何雄君.地震作用下考虑土-桥台-上部结构相互作用的大跨桥梁伸缩缝处碰撞效应研究[J].中国公路学报, 2015, 28(3):44-51. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2015.03.006

    DENG Yulin, LEI Fan, HE Xiongjun. Research on pounding effects at expansion joints of long-span bridge under earthquakes with interaction of soil, abutment and superstructure considered[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(3):44-51. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2015.03.006
    罗致, 李建中, 严搏.山区高墩连续刚构桥墩梁相对位移控制研究[J].工程力学, 2016(1):148-156. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX201601020.htm

    LUO Zhi, LI Jianzhong, YAN Bo. Research on the control of displacement between pier and girder of continuous rigid frame bridge with high piers in mountain area[J]. Engineering Mechanics, 2016(1):148-156. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCLX201601020.htm
    周国良, 李小军, 亓兴军, 等.高墩梁桥的地震冲撞效应及其应对策略初探[J].地震工程与工程振动, 2006(5):188-194. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2006.05.031

    ZHOU Guoliang, LI Xiaojun, QI Xingjun, et al. Seismic pounding effects on girder bridges with high piers and mitigating countermeasures[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2006(5):188-194. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2006.05.031
    ZERVA A. SpatialVariation of seismic ground motions:Modeling and engineering applications[M]. New York:CRC Press, 2009:1-8.
    NAZMY A S, ABDEL GHAFFAR A M. Effects of ground motion spatial variability on the response of cable-stayed bridges[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1992, 21(1):1-20. doi: 10.1002/(ISSN)1096-9845
    HARICHANDRAN R S, HAWWARI A, SWEIDAN B N. Response of long-span bridges to spatially varying ground motion[J]. Journal of Structural Engineering. 1996, 122(122):476-484. http://cn.bing.com/academic/profile?id=011ff885dad6dbfa15def5defd4de2cc&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    ZHANG D Y, LI X, YAN W M, et al. Stochastic seismic analysis of a concrete-filled steel tubular (CFST) arch bridge under tridirectional multiple excitations[J]. Engineering Structures, 2013, 52(9):355-371. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=ac6147f1d7c82b6fb660dca8bd442865
    LI X, ZHANG D Y, YAN W M, et al. Shake-Table test for a typical curved bridge:wave passage and local site effects[J]. Journal of Bridge Engineering, 2015, 20(2), 040140612. http://onlinelibrary.wiley.com/resolve/reference/XREF?id=10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000643
    JANKOWSKI R, WILDE K, FUJINO Y. Pounding of superstructure segments in isolated elevated bridge during earthquakes[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2015, 27(5):487-502. doi: 10.1002-(SICI)1096-9845(199805)27-5-487--AID-EQE738-3.0.CO%3b2-M/
    ZANARDO G, HAO H, MODENA C. Seismic response of multi-span simply supported bridges to a spatially varying earthquake ground motion[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2010, 31(6):1325-1345. doi: 10.1002-eqe.166/
    BI K, HAO H. Numerical simulation of pounding damage to bridge structures under spatially varying ground motions[J]. Engineering Structures, 2013, 46(1):62-72. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=9f8a2d8a7c024aaea9438c3c27d1846a
    YASSIN H M. Nonlinear analysis of prestressed concrete structures under monotonic and cycling loads[D]. Berkeley: University of California, 1994.
    MUTHUKUMAR S. A contact element approach with hysteresis damping for the analysis and design of pounding in bridges[D]. Atlanta: Georgia Institute of Technology, 2003. https://smartech.gatech.edu/handle/1853/5286
    PEER. Technical report for the PEER ground motion database web application[R]. Berkeley: Pacific Earthquake Engineering Research Center, 2010. https://ngawest2.berkeley.edu/Technical_Report.pdf
    中华人民共和国交通运输部. JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京: 重庆交通科研设计院, 2008.
    BOORE D M, SISI A A, AKKAR S. Using pad-stripped acausally filtered Strong-Motion data[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2012, 102(102):751-760. http://d.old.wanfangdata.com.cn/NSTLQK/NSTL_QKJJ0226059584/
  • 加载中
图(6) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  492
  • HTML全文浏览量:  217
  • PDF下载量:  80
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-16
  • 刊出日期:  2018-06-01

目录

    /

    返回文章
    返回