地震动特性对公路桥梁板式橡胶支座滑动反应影响

汤虎，李建中

摘要：目的：板式橡胶支座在我国中小跨径梁桥中应用广泛。支座通常设置在墩台垫石之上，上部结构直接搁置在支座之上，支座与墩梁间无连接措施，地震作用下极易发生支座滑移，进而引起主梁移位甚至落梁震害。为此，本文开展地震动特性对板式橡胶支座滑动效应的影响研究，为评估支座滑移及其引起的碰撞、落梁等震害风险时提供依据。方法：推导了判断支座是否发生滑动的指标参数 λ；采用平滑动支座单元模拟板式橡胶支座的滑动效应，建立了有限元单墩模型；选用真实地震动记录，选择的地震动记录尽可能的较大范围地涵盖了可能的地震动特性，具有一定的代表性，包括含较大地面运动速度的近场脉冲型地震动，峰值地震动较大、地震频率较高但加速度持时不长的地震动，中等强度典型中远场地震动等六条地震动记录；输入选用地震动，对单墩模型进行了非线性地震反应时程分析，进行了系统的参数分析，研究了板式橡胶支座与墩梁接触面之间的动力滑动效应，探讨了包括地震动峰值加速度、地震动频谱特性以及地震动加速度时程曲线形状细节等3方面地震动特性对支座滑动反应的影响。结果：（1）确定了判断支座是否发生滑动的指标——滑动参数λ，仅当λ＞1时，板式橡胶支座发生滑动；明确了板式橡胶支座滑动的主要影响因素：地震动特性、结构振动周期、接触面摩擦系数。（2）给定场地条件、结构参数下，存在最小地震动峰值加速度Apmin，当地震动峰值加速度Ap＞Apmin时，板式橡胶支座与墩梁接触面间发生滑动，Apmin受桥梁所处场地土条件影响，总体而言，支座地震位移随着地面运动加速度峰值Ap的增加而增加。（3）采用Ap/Vp值作为表征地震动输入频谱特性的指标，地震动Ap/Vp值越大，所含的高频地震成分一般越丰富。总体上，板式橡胶支座的滑动能力及支座地震位移随着输入地震动Ap/Vp值的增加而减小。（4）地震动加速度时程曲线形状及细节对板式橡胶支座动力滑动效应的影响可能较大，举例进行验证，某些地震动峰值加速度Ap较小、对应反应谱谱值较小的地震动输入，其作用下支座地震位移反而更大。结论：包括峰值加速度、频谱特性在内的地震动特性、结构振动周期、接触面摩擦系数是影响板式橡胶支座滑动的主要因素；设计人员在对板式橡胶支座类型桥梁进行抗震设计时，应注意选择与场地条件相匹配的地震动输入，即选用的地震动输入的平均地震影响系数曲线应与由场地条件等确定的目标反应谱在统计意义上相符；利用工程经验判断支座滑动反应时，应重视地震动加速度时程曲线形状细节的反常影响。

来源出版物：工程力学，2013，30(10):154-161

入选年份：2017

基于OpenSees的RC框架—核心筒超高层建筑抗震弹塑性分析

解琳琳，黄羽立，陆新征，等

摘要：目的：近年来世界范围内地震频发，使得高层和超高层建筑结构的抗震性能研究成为一个热点问题。大量研究表明，数值模拟已经成为研究高层和超高层结构抗震性能的一个有效手段，其中OpenSees（open system for earthquake engineering simulation）作为一款开源的有限元软件已经逐渐发展成为地震工程领域最具影响力的开放科研平台之一。但是目前OpenSees主要用于构件和较小规模结构的抗震性能研究，基于OpenSees的复杂结构抗震性能研究尚未见报道。这主要是因为OpenSees的单元以纤维梁柱模型为主，该模型不能方便准确的考虑多种剪力墙（包括开洞剪力墙、带翼缘剪力墙和筒体）的复杂受力特性，从而阻碍了基于OpenSees的超高层地震灾变研究的开展。本研究的目的是在OpenSees中开发可以考虑剪力墙复杂受力特性的分层壳模型和相应的多维材料本构模型，并通过对一系列剪力墙算例和一框架—核心筒超高层建筑结构的数值分析，验证开发的剪力墙模型的合理性和准确性，为进一步发展基于OpenSees的超高层建筑结构抗震性能分析提供参考。方法：在分层壳单元中，混凝土处于二维受力状态，需要开发合适、可靠的混凝土二维本构模型。本研究提出基于损伤力学模型和弥散裂缝模型的二维混凝土本构模型。受压损伤参考Løland建议的受压损伤演化曲线，受拉损伤参考Mazars建议的受拉损伤演化曲线。对于剪力墙内的分布钢筋，本研究基于OpenSees中现有的单轴钢筋模型开发了相应的多维钢筋模型。本研究对大量剪力墙构件算例分别采用纤维梁模型和分层壳模型进行模拟，并与试验结果进行对比分析，以验证所建立的分层壳单元的合理性、准确性和通用性。在此基础上，本研究采用纤维模型（模拟梁柱）和分层壳模型（模拟剪力墙），对一42层141.8 m的RC框架—核心筒超高层结构进行了模态分析、推覆分析和动力时程分析，并将计算结果与相应的MSC.Marc模型计算结果进行对比，以验证该模型进行超高层结构弹塑性分析的合理性和可靠性。结果：（1）对于剪跨比较大且配有足够水平抗剪钢筋的矩形剪力墙构件和带翼缘剪力墙构件，由于其基本受弯曲破坏控制，所以本研究提出的分层壳模型和纤维模型的模拟结果均与试验结果均吻合良好。（2）对于剪跨比较小的剪力墙构件，由于其主要受剪切破坏控制，纤维模型模拟结果相对较差，而分层壳模型则能较好的反映弯剪耦合受力特性；对于联肢剪力墙，纤维模型建模繁琐且不能很好的考虑剪跨比较小的墙肢和跨高比较小的连梁的剪切破坏，因此不适用于该类构件，而分层壳模型则能很好的反应其复杂受力特性。（3）对RC框架—核心筒超高层结构分别采用OpenSees和MSC.Marc进行分析，两者模态分析结果吻合良好；推覆分析结果整体吻合良好，局部略有差异，但可以满足相关研究需求；两者动力时程分析（110 cm/s2、300 cm/s2、510 cm/s2和 1000 cm/s2）所获得的顶点位移时程基本一致，各层层间侧移角包络也基本吻合。结论：（1）本研究在OpenSees中开发并集成了用于模拟超高层结构中剪力墙构件的分层壳模型，通过对一系列剪力墙构件进行模拟验证了该模型的可靠性、合理性和通用性。（2）本研究建立了基于OpenSees的RC框架核心筒超高层结构弹塑性分析的体系，将分析结果与MSC.Marc的计算结果进行对比分析，两者吻合良好，进一步验证了本文提出的单元的合理性和可靠性，为进一步基于OpenSees开展超高层建筑结构的地震灾变行为研究提供参考。

来源出版物：工程力学，2014，31(1):64-71

入选年份：2017

型钢再生混凝土偏压柱受力性能试验及承载力计算

陈宗平，钟铭，陈宇，等

摘要：目的：建筑废弃物引起的生态环境问题日益严重，将废旧混凝土进行再生利用是实现绿色节能环保的主要途径之一。将型钢和再生混凝土相结合，形成型钢再生混凝土（steel reinforced recycled aggregate concrete，简称SRRAC），可改善再生混凝土强度相对较低、吸水率高、收缩徐变大以及耐久性差的缺陷，同时扩大再生混凝土的使用范围。本文共设计了9个型钢再生混凝土柱试件进行偏心受压试验，研究型钢再生混凝土的受力性能，揭示其的破坏机理，提出型钢再生混凝土柱的承载力计算方法。方法：再生混凝土原料采用普通天然河砂、42.5R普通硅酸盐水泥、城市自来水、天然和再生两种粗骨料。再生粗骨料来源于试验室废弃混凝土试件（原生混凝土强度C30），经破碎、筛分、清洗后而得。再生和天然粗骨料均为5～25 mm连续级配，在相同条件下筛分；再生混凝土的配合比设计是以0%的再生粗骨料取代率为基准（再生粗骨料的取代率是指再生粗骨料占粗骨料总量的百分比值），目标设计强度为C40；试验采用了I10型钢和构造钢筋、纵向钢筋采用直径为14 mm的HRB335级变形钢筋，箍筋采用直径为6 mm的HPB235级光圆钢筋。本文共设计9个试件，变化参数为再生粗骨料取代率（r）和相对偏心距（e0/h），其中取代率考虑：0%、30%、70%和100% 4种，相对偏向距考虑：0.6、0.4、0.2这3种。试验在电液伺服液压试验机（YE-10000F）上完成，采用荷载控制的加载制度，以预估极限荷载的5%为级差分级加载，在接近破坏时采用慢速加载，直到试件破坏。结果：从型钢混凝土偏心受力性能试验研究中，可得到以下主要发现：①型钢再生混凝土柱在相对偏心距为0.2时，呈现小偏心受压破坏形态，相对偏心距为0.4、0.6时呈现大偏心受压破坏形态，无论大偏压还是小偏压，其破坏过程和形态与型钢普通混凝土柱相似。②型钢再生混凝土偏压柱，在0.75倍极限承载力以前，截面应变分布基本保持直线，但接近破坏时，截面应变分布出现滞后现象，不再保持直线关系。破坏时，再生混凝土的极限压应变值约为3300 με，数值上与普通混凝土相当。③型钢再生混凝土偏压柱，其极限承载力随着相对偏心距的增大而减小，随再生骨料取代率的增加而略有增大。④根据试验应变数据，采用修正平截面假定理论，推导了型钢再生混凝土偏压柱的正截面极限承载力系列计算公式。结论：型钢再生混凝土柱与普通型钢混凝土柱的受力性能基本相似，其应用于工程中是可行的。基于试验数据推导的极限承载力计算公式，引入了再生混凝土不同于传统普通混凝土的强度关系式和极限压应变修正值，全面考虑了截面的各种分布情况，建立了能满足再生混凝土要求的理论方法，所提出的承载力计算公式可作为型钢再生混凝土构件的强度计算方法。

来源出版物：工程力学，2014，31(4):160-170

入选年份：2017

板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究

刘增华，徐营赞，何存富，等

摘要：目的：Lamb波技术非常适用于板类结构的各种缺陷检测。进行单模态Lamb波激发获得更具有解释性的接收信号，发展高精度的缺陷成像算法对提高Lamb波缺陷检测效率具有重要意义。本文基于各模态Lamb波振动特点，设计单模态Lamb波激发方法，结合离散椭圆成像算法与数据融合技术，探索单模态Lamb波板中缺陷精确成像检测。方法：采用有机玻璃板、函数发生器、示波器、计算机和多个压电片搭建试验研究平台。将6对直径12 mm、厚1.5 mm的压电片以对称的形式设置在1 m×1 m×4.8 mm有机玻璃板上下表面，对同一位置上下表面的两压电片施加同相或反相交流电压，实现单一S0或A0模态Lamb波激发。采用502胶将直径20 mm、高40 mm的有机玻璃柱粘贴在板结构表面进行缺陷模拟；采集板中模拟缺陷产生前后两种情况下的单模态Lamb波和双模态Lamb波信号作为检测用的基准信号和缺陷检测信号，将缺陷检测信号同基准信号做差运算得到缺陷散射信号。结合椭圆成像算法和幅值全加法、幅值全乘法和幅值加乘组合3种数据融合方法对提取的缺陷散射信号进行处理，实现板中模拟缺陷的成像检测。结果：从双压电片单模态Lamb波激励和扫频分析中可以看出，①双压电片电压同相激励可有效抑制对称A0模态并且增强S0模态，得到较为单一的S0模态信号；②双压电片电压反相激励可有效抑制反对称S0模态并且增强A0模态，得到较为单一的A0模态信号；③同相激励情况下，在55 kHz附近 S0模态与A0模态信号峰峰值之比达到最大；反相激励情况下，在50 kHz附近A0模态与S0模态信号峰峰值之比达到最大；故选择 55 kHz进行单模态板中缺陷定位成像研究。从基于单模态Lamb波和多模态Lamb波缺陷散射信号和各种数据融合的离散椭圆算法板中缺陷定位成像对比分析中可以看出，①单模态Lamb波成像结果的分辨率比多模态Lamb波并存时相同模态的成像结果对比度高，缺陷处的能量更加集中，定位精度更高；②幅值全加法、幅值全乘法和幅值加乘法3种融合技术中，幅值全乘法的检测精度和成像分辨率最高，而幅值全加法的检测效果较差；③由于55 kHz的A0模态比S0模态的波长更短，与缺陷的相互作用较强，对缺陷更加敏感，A0模态对板中模拟缺陷的定位检测精度比S0模态的更高。结论：通过对板结构上面表面相对位置处布置的压电片施加同相或反相电压激励，可以有效地激发出较为单一的A0模态和S0模态信号。基于单模态Lamb波的离散椭圆成像算法对板中缺陷的检测精度比多模态并存时A0和S0模态检测精度高；在频率55 kHz，A0模态对S0模态对有机玻璃板的缺陷定位精度高；适当的数据融合方法可以提高缺陷检测可识别率和定位精度。

来源出版物：工程力学，2014，31(4):232-238

入选年份：2017