桩-土-结构相互作用对大跨度斜拉桥地震响应的影响

土层条件对结构在地震作用下的破坏有很大影响。本文旨在对考虑桩-土-结构动力相互作用(PSSI)对大跨度斜拉桥地震响应造成的影响进行评估。文中将桩-土相互作用理想化为采用连续分布的水平弹簧和粘滞阻尼器的Penzien模型,并用ANSYS有限元分析软件对苏通大桥整体模型进行地震响应时程分析来研究PSSI的影响。可以看出,PSSI对苏通大桥地震响应有显著影响,如果忽略PSSI效应,大部分响应将被低估。     

土-桩-结构相互作用体系随机地震反应分析

本文采用随机振动理论与有限元技术相结合的方法，以基岩随机地震作为输入，对群桩基础和土-桩-结构相互作用体系进行了三维随机地震反应分析。文中首先以一3X3群桩基础作为分析模型，探讨了桩-土-桩动力相互作用对承台随机地震反应的影响；然后，用单自由度体系模拟上部结构，分析了上部结构惯性对桩基承台随机地震反应的影响。在此基础上，以某桥桥墩为背景，用多自由度体系模拟上部结构，建立了土-桩-结构相互作用体系的三维分析模型，获得了桩基承台的功率谱响应、以及桩顶处的主应力标准差和主应力速率标准差等结果，探讨了群桩顶部各桩主应力标准差的分布规律，得到了一些有应用价值的结果。     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题，以某桥梁工程为背景，通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性，建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型，分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态，探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下，桩-土间会产生较强的接触非线性，在本文模型中，这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移；考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。     

考虑土-结构相互作用效应的三维桩基结构动力有限元分析

结合简化阻抗法建立了三维相互作用结构的动力有限元分析模型,导出了考虑群桩刚体、惯性效应作用时的结构相互作用时程积分方程式,以近乎纯结构有限元的建模途径合理地反映出桩-土-上部结构在水平地震作用下的动力相互作用特性。模型中引入具有桩(筏)-土阻抗特性的弹阻单元来描述不同群桩布置、土层状况因素对体系反应的参与作用,而在动力方程中竖向SV剪切波经桩土刚体相互作用产生的水平、摇摆分量对体系的影响亦得以体现。20层桩承刚框架结构的动力分析表明:较柔的桩、土基础使得体系的SSI效应增强,但其参与程度与群桩效应相关,而结构构件内力较不考虑相互作用时有较大折减;应用该法可精确、快速地进行复杂上、下部结构时程反应分析。     

基于弹塑性模型的群桩-土-结构动力非线性数值分析

提出一种群桩-土弹塑性模型,结合动力文克尔理论,推导出了与桩(筏)-土属性及SSI体系频率相关的各项弹簧-阻尼单元动力阻抗,建立了三维框架土-结构相互作用有限元简化分析模型。针对不同地震激励,在不同桩-土条件下对模型进行了动力非线性时程分析,结果表明,在某些地震动和土-基础条件下,上部结构非线性作用效应结果可能大于固基假定情形,且桩-土弹塑性模型对上部结构柔弱层位置产生影响。应用本文简化方法可以快速、较准确有效地进行复杂的上下部结构动力时程分析及抗震评估。     

层状半空间中单桩对任意入射地震波的响应

本文以任意入射地震波作为初始运动输入，采用层状半空间中显式表达形式的动力Ｇｒｅｅｎ函数形成阶－土相互作用分析所需的土介质柔度矩阵，用梁单元模拟桩的运动，在文献［５］的基础上，建立了层状半空间中单桩对任意入射地震波响应的实用计算模型，研究了层状半空间中单桩对不同角度入射ＳＨ波、ＳＶ波和Ｐ波的动力响应，得到了一些新的结果。     

饱和粘弹性土层中悬浮桩的纵向振动

基于不可压饱和粘弹性多孔介质理论和一维杆件模型,利用虚拟土桩的概念,研究了不可缮压饱和粘弹性土层中悬浮桩纵向振动的动力刚度.通过势函数解耦和三角级数解法,得到了悬浮桩纵向谐调振动的半解析解和桩头动力刚度.在此基础上通过数值计算,研究了物性参数、几何参数等对刚度的影响,结果表明:悬浮桩纵向振动的动力刚度受桩长、土的软硬程度、激振频率等的影响,对比了细长桩和短粗桩的响应差异,这些结果可为悬浮桩-土相互作用的数值分析和工程设计提供参考.     

圆柱形储罐考虑桩土相互作用地震响应的简化分析

以Penzien集中质量模型为基础建立了某圆柱形锚固储罐考虑桩-土-罐相互作用及罐壁柔性的简化分析模型,采用有限元软件ABAQUS建立了该桩-土-罐力学模型,分析了其自振特性及在水平基岩波激励下的动力响应.分析结果得知,相比于刚性地基,考虑桩土相互作用的储液罐对流频率几乎不变,第一阶柔性脉动频率略有减小;在动力响应方面,储液罐基底剪力和力矩最大值略有减小,但其对流分量和刚性脉动分量最大值均有增大,所以本文建议在储液罐进行设计时应充分考虑桩土相互作用后储罐动力响应的有利和不利变化,从整体上把握来确保储液罐的抗震安全性.     

液化土体中单桩的稳定性分析

根据地震场地液化特征,将土层分为表层非液化层,中部液化层以及底部基础层,基于桩-土相互作用的Winkler模型,得到考虑轴力作用的液化土层中桩-土系统的频率方程.利用此频率方程,研究了液化土层中轴压单桩的稳定性问题,分析了各种参数对受压桩临界载荷的影响.数值结果表明:桩临界荷载与抗弯刚度成正比；液化初期时,随着液化土层...     

单桩横向非线性惯性响应简化分析计算方法

根据已建立的地基土-单桩系统横向非线性动力相互作用的简化分析模型,在动力Winkler模型的基础上,研究单桩横向非线性惯性响应。简化模型中．地基土对桩轴的横向非线性作用力．由非线性迟滞退化弹簧模拟,地基土在运动过程中的能量耗散,由与弹簧并联的粘壶模拟。利用有限元空间离散技术和Newmark-β法,讨论了横向惯性荷载作用下．单桩运动方程在时域中的求解方法。计算结果表明,该模型能够反映单桩非线性惯性响应的主要特征。能够揭示各种非线性因素,如：桩周土的迟滞效应、退化、屈服,以及土-桩界面的分离等,对单桩惯性响应的影响。计算结果与试验结果相当吻合。     

大跨度斜拉桥动力特性分析

本文提出一种计算大距度钢桁梁斜拉桥动力特性的方法。文中分别采用桁段有限单元、空间梁元、空间杆元计算斜拉桥中桁架，桥塔、拉索的刚度矩阵与质量矩阵，采用子空间迭代法求解特征方程，所得结果可供设计参考。     

大跨径斜拉—悬索协作体系桥动力分析

斜拉-悬索协作体系桥作为一种新的超大跨径桥型，综合了悬索桥和斜拉桥的特点，国内外对这种桥型的研究尚少。本文根据空间有限元计算模型，对伶仃东航道斜拉-悬索协作体系桥设计方案进行了模态分析，分析了斜拉-悬吊协作体系桥的固有特性，讨论了不同主梁纵向约束方式和辅助墩的设置情况的影响，为此类桥型结构的动力性能分析提供了有价值的参考。     

斜拉桥索梁锚固区边界条件对结构受力的影响

针对苏通(苏州-南通)长江公路大桥斜拉桥锚箱式索梁锚固结构进行了足尺静载试验,采用空间有限元方法分析实际结构和试验模型锚固区的应力与变形,将试验与计算结果进行比较,验证计算方法的正确性。在此基础上,做了大量仿真计算,详细探讨了索梁锚固结构周围边界条件的不同对结构受力的影响,计算了实际结构在不同约束条件下索梁锚固区的各种应力分布情况,进而得到了一些有益的结论,为今后类似结构试验的设计提供参考。     

Nonlinear Assessment of Cable Vibration in a Stayed Bridge

An experimental study for cables in a stayed bridge is presented. In this analysis, the tensions on the cables were calculated considering linear and nonlinear approaches; for the nonlinear analysis a 2D model was used to evaluate vibration modes and responses under wind and traffic loads. The 8 semi-harp cable stayed bridge used for this study has 112 cables and vibration measurements were done under normal operational conditions. Tensions computed from the nonlinear model were compared with those from the traditional linear model, where average differences were within 3.3%. The estimated tensions from vibration tests have good correlation with the experimental values measured from load tests, while the vibration procedure was carried out in less than 2 days without limiting the bridge operation; converse to the load tests where approximately 30 days are necessary and the bridge traffic has to be closed for short periods during measurements.     

环境随机激励下斜拉桥的模态分析

文章首先给出了利用环境随机激励实际工程结构输出响应自功率谱间接识别柔性结构模态参数的方法,并运用它对一斜拉桥现场测试结果进行了分析。然后建立了三维有限单元模型,得到了该桥自振频率和振型的理论值。脉动实验测得的结构自振频率和振型与用三维有限单元模型得到的理论值的对比发现,绝大部分模态吻合得较好,特别是竖向振型     

考虑温度效应的索梁面内动力学建模及特性分析

根据增量热场理论,温度变化影响下索梁结构会形成新的热应力平衡状态．因此基于已有的索梁结构非线性动力学模型,结合与斜拉索张拉力和垂度相关的无量纲参数,重新建立考虑温度变化影响下索梁结构面内振动的动力学模型,并推导其面内非线性运动方程．接着开展特征值分析,得到包含温度效应的索梁结构面内振动频率的超越方程及模态振型函数．通过算例研究温度变化对不同刚度比的索梁结构影响,得到其前四阶面内振动的模态频率与温度变化的关系曲线．研究结果表明：面内模态频率受温度变化影响明显,其影响程度与刚度比大小和模态的阶数密切相关,温度变化对低阶模态频率的影响比对高阶模态频率影响更为复杂;升温和降温对索梁结构面内振动特性的影响不对称;此外温度变化会导致频率偏转点的位置发生漂移．     

斜拉桥三维拉索风雨激振准两自由度模型

拉索风雨激振是当前桥梁工程和风工程界非常关注的研究课题。过去用于测量带人工水线的拉索模型都是二维的，所建立的理论模型也是建立在二维拉索气动力的基础上的。本文基于带人工水线三维拉索模型试验得到的气动力，建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动微分方程，讨论了运动方程中各种参数的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。计算结果和三维拉索人工降雨试验结果的对比表明，本文方法能较好地描述三维拉索风雨激振的特征。     

Analysis for the optimal location of cable damping systems on stayed bridges

Computational models are increasingly being used for the dynamic analysis of structures with nonlinear or uncertain behavior, such as cables in stayed bridges, which nowadays are progressively more used as an alternative for long span and slim structures. In this work, a 3D nonlinear model is described to evaluate the wind dynamic effects on cables for this type of bridges under different scenarios, but also for health monitoring and structural simulation to guarantee performance, evaluate load capacity and estimate life prediction. Fatigue is one of the most relevant and complex failure causes in highway bridges, particularly on the anchorage elements of the cables in stayed bridges; where dampers may be used to minimize the dynamic behavior of the structure and reduce fatigue damage. With this nonlinear simulation model, different damper locations and configurations are evaluated to find the optimal position. A feasibility function is used as a weighting function to take into account the damper’s size and design. Analysis is particularly focused for a real cable stayed bridge in the state of Veracruz in México. Although the geometry, the forces and the stresses on cable structures are a challenge, even for structural specialists, the results from this work using the proposed 3D nonlinear model showed to be accurate for the simulation of many different wind scenarios, and damper’s location and orientations. Finally, the feasibility weighting function enabled the geometrical limitations to estimate the best location of a damper system to minimize the risk for fatigue failure.     

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展

斜拉桥的非线性动力学问题一直都是力学、结构和桥梁领域的研究热点.随着新材料(如碳纤维增强聚合物索)和新施工工艺的发展,斜拉桥的跨越能力不断得到提高,从而在桥梁建设中更具有竞争力.然而,斜拉桥跨度的增大和新材料的应用使结构变得更轻和更柔,使结构的非线性振动问题比以往更为突出,可能危及桥梁安全.基于课题组近年来对斜拉桥非线性动力学的研究,围绕大跨度斜拉桥的非线性建模理论及动力学问题,较为详细地评述近十年来国内外的研究进展情况.主要从斜拉索非线性动力学模型、梁的非线性动力学模型、索-梁组合结构的非线性动力学模型、斜拉桥整体非线性动力学模型与理论、以及斜拉桥的非线性振动实验等几个方面对斜拉桥非线性建模方法、力学模型、数学模型、求解方法及相应研究成果进行评述和讨论.研究结果表明,斜拉桥由于多柔性索和大跨度梁的耦合问题,以及环境载荷的复杂性,导致其具有丰富的非线性动力学行为.同时由于高维非线性系统求解方法的欠缺,整体斜拉桥非线性动力学行为又相当复杂,深入研究面临很大困难.最后,基于未来斜拉桥的发展趋势和可能面临的突出问题,对斜拉桥非线性振动问题今后的发展方向进行了探讨和展望.