工程與技術科學基礎學科

地震動特性對公路橋梁板式橡膠支座滑動反應影響

湯虎，李建中

摘要：目的：板式橡膠支座在我國中小跨徑梁橋中應用廣泛。支座通常設置在墩臺墊石之上，上部結構直接擱置在支座之上，支座與墩梁間無連接措施，地震作用下極易發生支座滑移，進而引起主梁移位甚至落梁震害。為此，本文開展地震動特性對板式橡膠支座滑動效應的影響研究，為評估支座滑移及其引起的碰撞、落梁等震害風險時提供依據。方法：推導了判斷支座是否發生滑動的指標參數 λ；采用平滑動支座單元模擬板式橡膠支座的滑動效應，建立了有限元單墩模型；選用真實地震動記錄，選擇的地震動記錄盡可能的較大范圍地涵蓋了可能的地震動特性，具有一定的代表性，包括含較大地面運動速度的近場脈沖型地震動，峰值地震動較大、地震頻率較高但加速度持時不長的地震動，中等強度典型中遠場地震動等六條地震動記錄；輸入選用地震動，對單墩模型進行了非線性地震反應時程分析，進行了系統的參數分析，研究了板式橡膠支座與墩梁接觸面之間的動力滑動效應，探討了包括地震動峰值加速度、地震動頻譜特性以及地震動加速度時程曲線形狀細節等3方面地震動特性對支座滑動反應的影響。結果：（1）確定了判斷支座是否發生滑動的指標——滑動參數λ，僅當λ＞1時，板式橡膠支座發生滑動；明確了板式橡膠支座滑動的主要影響因素：地震動特性、結構振動周期、接觸面摩擦系數。（2）給定場地條件、結構參數下，存在最小地震動峰值加速度Apmin，當地震動峰值加速度Ap＞Apmin時，板式橡膠支座與墩梁接觸面間發生滑動，Apmin受橋梁所處場地土條件影響，總體而言，支座地震位移隨著地面運動加速度峰值Ap的增加而增加。（3）采用Ap/Vp值作為表征地震動輸入頻譜特性的指標，地震動Ap/Vp值越大，所含的高頻地震成分一般越豐富。總體上，板式橡膠支座的滑動能力及支座地震位移隨著輸入地震動Ap/Vp值的增加而減小。（4）地震動加速度時程曲線形狀及細節對板式橡膠支座動力滑動效應的影響可能較大，舉例進行驗證，某些地震動峰值加速度Ap較小、對應反應譜譜值較小的地震動輸入，其作用下支座地震位移反而更大。結論：包括峰值加速度、頻譜特性在內的地震動特性、結構振動周期、接觸面摩擦系數是影響板式橡膠支座滑動的主要因素；設計人員在對板式橡膠支座類型橋梁進行抗震設計時，應注意選擇與場地條件相匹配的地震動輸入，即選用的地震動輸入的平均地震影響系數曲線應與由場地條件等確定的目標反應譜在統計意義上相符；利用工程經驗判斷支座滑動反應時，應重視地震動加速度時程曲線形狀細節的反常影響。

來源出版物：工程力學，2013，30(10):154-161

入選年份：2017

基于OpenSees的RC框架—核心筒超高層建筑抗震彈塑性分析

解琳琳，黃羽立，陸新征，等

摘要：目的：近年來世界范圍內地震頻發，使得高層和超高層建筑結構的抗震性能研究成為一個熱點問題。大量研究表明，數值模擬已經成為研究高層和超高層結構抗震性能的一個有效手段，其中OpenSees（open system for earthquake engineering simulation）作為一款開源的有限元軟件已經逐漸發展成為地震工程領域最具影響力的開放科研平臺之一。但是目前OpenSees主要用于構件和較小規模結構的抗震性能研究，基于OpenSees的復雜結構抗震性能研究尚未見報道。這主要是因為OpenSees的單元以纖維梁柱模型為主，該模型不能方便準確的考慮多種剪力墻（包括開洞剪力墻、帶翼緣剪力墻和筒體）的復雜受力特性，從而阻礙了基于OpenSees的超高層地震災變研究的開展。本研究的目的是在OpenSees中開發可以考慮剪力墻復雜受力特性的分層殼模型和相應的多維材料本構模型，并通過對一系列剪力墻算例和一框架—核心筒超高層建筑結構的數值分析，驗證開發的剪力墻模型的合理性和準確性，為進一步發展基于OpenSees的超高層建筑結構抗震性能分析提供參考。方法：在分層殼單元中，混凝土處于二維受力狀態，需要開發合適、可靠的混凝土二維本構模型。本研究提出基于損傷力學模型和彌散裂縫模型的二維混凝土本構模型。受壓損傷參考L?land建議的受壓損傷演化曲線，受拉損傷參考Mazars建議的受拉損傷演化曲線。對于剪力墻內的分布鋼筋，本研究基于OpenSees中現有的單軸鋼筋模型開發了相應的多維鋼筋模型。本研究對大量剪力墻構件算例分別采用纖維梁模型和分層殼模型進行模擬，并與試驗結果進行對比分析，以驗證所建立的分層殼單元的合理性、準確性和通用性。在此基礎上，本研究采用纖維模型（模擬梁柱）和分層殼模型（模擬剪力墻），對一42層141.8 m的RC框架—核心筒超高層結構進行了模態分析、推覆分析和動力時程分析，并將計算結果與相應的MSC.Marc模型計算結果進行對比，以驗證該模型進行超高層結構彈塑性分析的合理性和可靠性。結果：（1）對于剪跨比較大且配有足夠水平抗剪鋼筋的矩形剪力墻構件和帶翼緣剪力墻構件，由于其基本受彎曲破壞控制，所以本研究提出的分層殼模型和纖維模型的模擬結果均與試驗結果均吻合良好。（2）對于剪跨比較小的剪力墻構件，由于其主要受剪切破壞控制，纖維模型模擬結果相對較差，而分層殼模型則能較好的反映彎剪耦合受力特性；對于聯肢剪力墻，纖維模型建模繁瑣且不能很好的考慮剪跨比較小的墻肢和跨高比較小的連梁的剪切破壞，因此不適用于該類構件，而分層殼模型則能很好的反應其復雜受力特性。（3）對RC框架—核心筒超高層結構分別采用OpenSees和MSC.Marc進行分析，兩者模態分析結果吻合良好；推覆分析結果整體吻合良好，局部略有差異，但可以滿足相關研究需求；兩者動力時程分析（110 cm/s2、300 cm/s2、510 cm/s2和 1000 cm/s2）所獲得的頂點位移時程基本一致，各層層間側移角包絡也基本吻合。結論：（1）本研究在OpenSees中開發并集成了用于模擬超高層結構中剪力墻構件的分層殼模型，通過對一系列剪力墻構件進行模擬驗證了該模型的可靠性、合理性和通用性。（2）本研究建立了基于OpenSees的RC框架核心筒超高層結構彈塑性分析的體系，將分析結果與MSC.Marc的計算結果進行對比分析，兩者吻合良好，進一步驗證了本文提出的單元的合理性和可靠性，為進一步基于OpenSees開展超高層建筑結構的地震災變行為研究提供參考。

來源出版物：工程力學，2014，31(1):64-71

入選年份：2017

型鋼再生混凝土偏壓柱受力性能試驗及承載力計算

陳宗平，鐘銘，陳宇，等

摘要：目的：建筑廢棄物引起的生態環境問題日益嚴重，將廢舊混凝土進行再生利用是實現綠色節能環保的主要途徑之一。將型鋼和再生混凝土相結合，形成型鋼再生混凝土（steel reinforced recycled aggregate concrete，簡稱SRRAC），可改善再生混凝土強度相對較低、吸水率高、收縮徐變大以及耐久性差的缺陷，同時擴大再生混凝土的使用范圍。本文共設計了9個型鋼再生混凝土柱試件進行偏心受壓試驗，研究型鋼再生混凝土的受力性能，揭示其的破壞機理，提出型鋼再生混凝土柱的承載力計算方法。方法：再生混凝土原料采用普通天然河砂、42.5R普通硅酸鹽水泥、城市自來水、天然和再生兩種粗骨料。再生粗骨料來源于試驗室廢棄混凝土試件（原生混凝土強度C30），經破碎、篩分、清洗后而得。再生和天然粗骨料均為5～25 mm連續級配，在相同條件下篩分；再生混凝土的配合比設計是以0%的再生粗骨料取代率為基準（再生粗骨料的取代率是指再生粗骨料占粗骨料總量的百分比值），目標設計強度為C40；試驗采用了I10型鋼和構造鋼筋、縱向鋼筋采用直徑為14 mm的HRB335級變形鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm的HPB235級光圓鋼筋。本文共設計9個試件，變化參數為再生粗骨料取代率（r）和相對偏心距（e0/h），其中取代率考慮：0%、30%、70%和100% 4種，相對偏向距考慮：0.6、0.4、0.2這3種。試驗在電液伺服液壓試驗機（YE-10000F）上完成，采用荷載控制的加載制度，以預估極限荷載的5%為級差分級加載，在接近破壞時采用慢速加載，直到試件破壞。結果：從型鋼混凝土偏心受力性能試驗研究中，可得到以下主要發現：①型鋼再生混凝土柱在相對偏心距為0.2時，呈現小偏心受壓破壞形態，相對偏心距為0.4、0.6時呈現大偏心受壓破壞形態，無論大偏壓還是小偏壓，其破壞過程和形態與型鋼普通混凝土柱相似。②型鋼再生混凝土偏壓柱，在0.75倍極限承載力以前，截面應變分布基本保持直線，但接近破壞時，截面應變分布出現滯后現象，不再保持直線關系。破壞時，再生混凝土的極限壓應變值約為3300 με，數值上與普通混凝土相當。③型鋼再生混凝土偏壓柱，其極限承載力隨著相對偏心距的增大而減小，隨再生骨料取代率的增加而略有增大。④根據試驗應變數據，采用修正平截面假定理論，推導了型鋼再生混凝土偏壓柱的正截面極限承載力系列計算公式。結論：型鋼再生混凝土柱與普通型鋼混凝土柱的受力性能基本相似，其應用于工程中是可行的。基于試驗數據推導的極限承載力計算公式，引入了再生混凝土不同于傳統普通混凝土的強度關系式和極限壓應變修正值，全面考慮了截面的各種分布情況，建立了能滿足再生混凝土要求的理論方法，所提出的承載力計算公式可作為型鋼再生混凝土構件的強度計算方法。

來源出版物：工程力學，2014，31(4):160-170

入選年份：2017

板狀結構中基于Lamb波單模態的缺陷成像試驗研究

劉增華，徐營贊，何存富，等

摘要：目的：Lamb波技術非常適用于板類結構的各種缺陷檢測。進行單模態Lamb波激發獲得更具有解釋性的接收信號，發展高精度的缺陷成像算法對提高Lamb波缺陷檢測效率具有重要意義。本文基于各模態Lamb波振動特點，設計單模態Lamb波激發方法，結合離散橢圓成像算法與數據融合技術，探索單模態Lamb波板中缺陷精確成像檢測。方法：采用有機玻璃板、函數發生器、示波器、計算機和多個壓電片搭建試驗研究平臺。將6對直徑12 mm、厚1.5 mm的壓電片以對稱的形式設置在1 m×1 m×4.8 mm有機玻璃板上下表面，對同一位置上下表面的兩壓電片施加同相或反相交流電壓，實現單一S0或A0模態Lamb波激發。采用502膠將直徑20 mm、高40 mm的有機玻璃柱粘貼在板結構表面進行缺陷模擬；采集板中模擬缺陷產生前后兩種情況下的單模態Lamb波和雙模態Lamb波信號作為檢測用的基準信號和缺陷檢測信號，將缺陷檢測信號同基準信號做差運算得到缺陷散射信號。結合橢圓成像算法和幅值全加法、幅值全乘法和幅值加乘組合3種數據融合方法對提取的缺陷散射信號進行處理，實現板中模擬缺陷的成像檢測。結果：從雙壓電片單模態Lamb波激勵和掃頻分析中可以看出，①雙壓電片電壓同相激勵可有效抑制對稱A0模態并且增強S0模態，得到較為單一的S0模態信號；②雙壓電片電壓反相激勵可有效抑制反對稱S0模態并且增強A0模態，得到較為單一的A0模態信號；③同相激勵情況下，在55 kHz附近 S0模態與A0模態信號峰峰值之比達到最大；反相激勵情況下，在50 kHz附近A0模態與S0模態信號峰峰值之比達到最大；故選擇 55 kHz進行單模態板中缺陷定位成像研究。從基于單模態Lamb波和多模態Lamb波缺陷散射信號和各種數據融合的離散橢圓算法板中缺陷定位成像對比分析中可以看出，①單模態Lamb波成像結果的分辨率比多模態Lamb波并存時相同模態的成像結果對比度高，缺陷處的能量更加集中，定位精度更高；②幅值全加法、幅值全乘法和幅值加乘法3種融合技術中，幅值全乘法的檢測精度和成像分辨率最高，而幅值全加法的檢測效果較差；③由于55 kHz的A0模態比S0模態的波長更短，與缺陷的相互作用較強，對缺陷更加敏感，A0模態對板中模擬缺陷的定位檢測精度比S0模態的更高。結論：通過對板結構上面表面相對位置處布置的壓電片施加同相或反相電壓激勵，可以有效地激發出較為單一的A0模態和S0模態信號。基于單模態Lamb波的離散橢圓成像算法對板中缺陷的檢測精度比多模態并存時A0和S0模態檢測精度高；在頻率55 kHz，A0模態對S0模態對有機玻璃板的缺陷定位精度高；適當的數據融合方法可以提高缺陷檢測可識別率和定位精度。

來源出版物：工程力學，2014，31(4):232-238

入選年份：2017