工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科

地震動(dòng)特性對(duì)公路橋梁板式橡膠支座滑動(dòng)反應(yīng)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(yīng)用廣泛。支座通常設(shè)置在墩臺(tái)墊石之上，上部結(jié)構(gòu)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(fā)生支座滑移，進(jìn)而引起主梁移位甚至落梁震害。為此，本文開展地震動(dòng)特性對(duì)板式橡膠支座滑動(dòng)效應(yīng)的影響研究，為評(píng)估支座滑移及其引起的碰撞、落梁等震害風(fēng)險(xiǎn)時(shí)提供依據(jù)。方法：推導(dǎo)了判斷支座是否發(fā)生滑動(dòng)的指標(biāo)參數(shù) λ；采用平滑動(dòng)支座單元模擬板式橡膠支座的滑動(dòng)效應(yīng)，建立了有限元單墩模型；選用真實(shí)地震動(dòng)記錄，選擇的地震動(dòng)記錄盡可能的較大范圍地涵蓋了可能的地震動(dòng)特性，具有一定的代表性，包括含較大地面運(yùn)動(dòng)速度的近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)，峰值地震動(dòng)較大、地震頻率較高但加速度持時(shí)不長的地震動(dòng)，中等強(qiáng)度典型中遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)等六條地震動(dòng)記錄；輸入選用地震動(dòng)，對(duì)單墩模型進(jìn)行了非線性地震反應(yīng)時(shí)程分析，進(jìn)行了系統(tǒng)的參數(shù)分析，研究了板式橡膠支座與墩梁接觸面之間的動(dòng)力滑動(dòng)效應(yīng)，探討了包括地震動(dòng)峰值加速度、地震動(dòng)頻譜特性以及地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線形狀細(xì)節(jié)等3方面地震動(dòng)特性對(duì)支座滑動(dòng)反應(yīng)的影響。結(jié)果：（1）確定了判斷支座是否發(fā)生滑動(dòng)的指標(biāo)——滑動(dòng)參數(shù)λ，僅當(dāng)λ＞1時(shí)，板式橡膠支座發(fā)生滑動(dòng)；明確了板式橡膠支座滑動(dòng)的主要影響因素：地震動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期、接觸面摩擦系數(shù)。（2）給定場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，存在最小地震動(dòng)峰值加速度Apmin，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度Ap＞Apmin時(shí)，板式橡膠支座與墩梁接觸面間發(fā)生滑動(dòng)，Apmin受橋梁所處場(chǎng)地土條件影響，總體而言，支座地震位移隨著地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值A(chǔ)p的增加而增加。（3）采用Ap/Vp值作為表征地震動(dòng)輸入頻譜特性的指標(biāo)，地震動(dòng)Ap/Vp值越大，所含的高頻地震成分一般越豐富?？傮w上，板式橡膠支座的滑動(dòng)能力及支座地震位移隨著輸入地震動(dòng)Ap/Vp值的增加而減小。（4）地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線形狀及細(xì)節(jié)對(duì)板式橡膠支座動(dòng)力滑動(dòng)效應(yīng)的影響可能較大，舉例進(jìn)行驗(yàn)證，某些地震動(dòng)峰值加速度Ap較小、對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜譜值較小的地震動(dòng)輸入，其作用下支座地震位移反而更大。結(jié)論：包括峰值加速度、頻譜特性在內(nèi)的地震動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期、接觸面摩擦系數(shù)是影響板式橡膠支座滑動(dòng)的主要因素；設(shè)計(jì)人員在對(duì)板式橡膠支座類型橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意選擇與場(chǎng)地條件相匹配的地震動(dòng)輸入，即選用的地震動(dòng)輸入的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與由場(chǎng)地條件等確定的目標(biāo)反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符；利用工程經(jīng)驗(yàn)判斷支座滑動(dòng)反應(yīng)時(shí)，應(yīng)重視地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線形狀細(xì)節(jié)的反常影響。

來源出版物：工程力學(xué)，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(nèi)地震頻發(fā)，使得高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能研究成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。大量研究表明，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究高層和超高層結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)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(jīng)逐漸發(fā)展成為地震工程領(lǐng)域最具影響力的開放科研平臺(tái)之一。但是目前OpenSees主要用于構(gòu)件和較小規(guī)模結(jié)構(gòu)的抗震性能研究，基于OpenSees的復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震性能研究尚未見報(bào)道。這主要是因?yàn)镺penSees的單元以纖維梁柱模型為主，該模型不能方便準(zhǔn)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(fù)雜受力特性，從而阻礙了基于OpenSees的超高層地震災(zāi)變研究的開展。本研究的目的是在OpenSees中開發(fā)可以考慮剪力墻復(fù)雜受力特性的分層殼模型和相應(yīng)的多維材料本構(gòu)模型，并通過對(duì)一系列剪力墻算例和一框架—核心筒超高層建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，驗(yàn)證開發(fā)的剪力墻模型的合理性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步發(fā)展基于OpenSees的超高層建筑結(jié)構(gòu)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(tài)，需要開發(fā)合適、可靠的混凝土二維本構(gòu)模型。本研究提出基于損傷力學(xué)模型和彌散裂縫模型的二維混凝土本構(gòu)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(duì)于剪力墻內(nèi)的分布鋼筋，本研究基于OpenSees中現(xiàn)有的單軸鋼筋模型開發(fā)了相應(yīng)的多維鋼筋模型。本研究對(duì)大量剪力墻構(gòu)件算例分別采用纖維梁模型和分層殼模型進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證所建立的分層殼單元的合理性、準(zhǔn)確性和通用性。在此基礎(chǔ)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(duì)一42層141.8 m的RC框架—核心筒超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、推覆分析和動(dòng)力時(shí)程分析，并將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的MSC.Marc模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該模型進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析的合理性和可靠性。結(jié)果：（1）對(duì)于剪跨比較大且配有足夠水平抗剪鋼筋的矩形剪力墻構(gòu)件和帶翼緣剪力墻構(gòu)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(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好。（2）對(duì)于剪跨比較小的剪力墻構(gòu)件，由于其主要受剪切破壞控制，纖維模型模擬結(jié)果相對(duì)較差，而分層殼模型則能較好的反映彎剪耦合受力特性；對(duì)于聯(lián)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(gòu)件，而分層殼模型則能很好的反應(yīng)其復(fù)雜受力特性。（3）對(duì)RC框架—核心筒超高層結(jié)構(gòu)分別采用OpenSees和MSC.Marc進(jìn)行分析，兩者模態(tài)分析結(jié)果吻合良好；推覆分析結(jié)果整體吻合良好，局部略有差異，但可以滿足相關(guān)研究需求；兩者動(dòng)力時(shí)程分析（110 cm/s2、300 cm/s2、510 cm/s2和 1000 cm/s2）所獲得的頂點(diǎn)位移時(shí)程基本一致，各層層間側(cè)移角包絡(luò)也基本吻合。結(jié)論：（1）本研究在OpenSees中開發(fā)并集成了用于模擬超高層結(jié)構(gòu)中剪力墻構(gòu)件的分層殼模型，通過對(duì)一系列剪力墻構(gòu)件進(jìn)行模擬驗(yàn)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(jié)構(gòu)彈塑性分析的體系，將分析結(jié)果與MSC.Marc的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩者吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的單元的合理性和可靠性，為進(jìn)一步基于OpenSees開展超高層建筑結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變行為研究提供參考。

來源出版物：工程力學(xué)，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(yàn)及承載力計(jì)算

陳宗平，鐘銘，陳宇，等

摘要：目的：建筑廢棄物引起的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，將廢舊混凝土進(jìn)行再生利用是實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能環(huán)保的主要途徑之一。將型鋼和再生混凝土相結(jié)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(qiáng)度相對(duì)較低、吸水率高、收縮徐變大以及耐久性差的缺陷，同時(shí)擴(kuò)大再生混凝土的使用范圍。本文共設(shè)計(jì)了9個(gè)型鋼再生混凝土柱試件進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，研究型鋼再生混凝土的受力性能，揭示其的破壞機(jī)理，提出型鋼再生混凝土柱的承載力計(jì)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(yàn)室廢棄混凝土試件（原生混凝土強(qiáng)度C30），經(jīng)破碎、篩分、清洗后而得。再生和天然粗骨料均為5～25 mm連續(xù)級(jí)配，在相同條件下篩分；再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)是以0%的再生粗骨料取代率為基準(zhǔn)（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(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40；試驗(yàn)采用了I10型鋼和構(gòu)造鋼筋、縱向鋼筋采用直徑為14 mm的HRB335級(jí)變形鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm的HPB235級(jí)光圓鋼筋。本文共設(shè)計(jì)9個(gè)試件，變化參數(shù)為再生粗骨料取代率（r）和相對(duì)偏心距（e0/h），其中取代率考慮：0%、30%、70%和100% 4種，相對(duì)偏向距考慮：0.6、0.4、0.2這3種。試驗(yàn)在電液伺服液壓試驗(yàn)機(jī)（YE-10000F）上完成，采用荷載控制的加載制度，以預(yù)估極限荷載的5%為級(jí)差分級(jí)加載，在接近破壞時(shí)采用慢速加載，直到試件破壞。結(jié)果：從型鋼混凝土偏心受力性能試驗(yàn)研究中，可得到以下主要發(fā)現(xiàn)：①型鋼再生混凝土柱在相對(duì)偏心距為0.2時(shí)，呈現(xiàn)小偏心受壓破壞形態(tài)，相對(duì)偏心距為0.4、0.6時(shí)呈現(xiàn)大偏心受壓破壞形態(tài)，無論大偏壓還是小偏壓，其破壞過程和形態(tài)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(yīng)變分布基本保持直線，但接近破壞時(shí)，截面應(yīng)變分布出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，不再保持直線關(guān)系。破壞時(shí)，再生混凝土的極限壓應(yīng)變值約為3300 με，數(shù)值上與普通混凝土相當(dāng)。③型鋼再生混凝土偏壓柱，其極限承載力隨著相對(duì)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(jù)試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用修正平截面假定理論，推導(dǎo)了型鋼再生混凝土偏壓柱的正截面極限承載力系列計(jì)算公式。結(jié)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(yīng)用于工程中是可行的。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的極限承載力計(jì)算公式，引入了再生混凝土不同于傳統(tǒng)普通混凝土的強(qiáng)度關(guān)系式和極限壓應(yīng)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(jì)算公式可作為型鋼再生混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算方法。

來源出版物：工程力學(xué)，2014，31(4):160-170

入選年份：2017

板狀結(jié)構(gòu)中基于Lamb波單模態(tài)的缺陷成像試驗(yàn)研究

劉增華，徐營贊，何存富，等

摘要：目的：Lamb波技術(shù)非常適用于板類結(jié)構(gòu)的各種缺陷檢測(cè)。進(jìn)行單模態(tài)Lamb波激發(fā)獲得更具有解釋性的接收信號(hào)，發(fā)展高精度的缺陷成像算法對(duì)提高Lamb波缺陷檢測(cè)效率具有重要意義。本文基于各模態(tài)Lamb波振動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單模態(tài)Lamb波激發(fā)方法，結(jié)合離散橢圓成像算法與數(shù)據(jù)融合技術(shù)，探索單模態(tài)Lamb波板中缺陷精確成像檢測(cè)。方法：采用有機(jī)玻璃板、函數(shù)發(fā)生器、示波器、計(jì)算機(jī)和多個(gè)壓電片搭建試驗(yàn)研究平臺(tái)。將6對(duì)直徑12 mm、厚1.5 mm的壓電片以對(duì)稱的形式設(shè)置在1 m×1 m×4.8 mm有機(jī)玻璃板上下表面，對(duì)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(shí)現(xiàn)單一S0或A0模態(tài)Lamb波激發(fā)。采用502膠將直徑20 mm、高40 mm的有機(jī)玻璃柱粘貼在板結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行缺陷模擬；采集板中模擬缺陷產(chǎn)生前后兩種情況下的單模態(tài)Lamb波和雙模態(tài)Lamb波信號(hào)作為檢測(cè)用的基準(zhǔn)信號(hào)和缺陷檢測(cè)信號(hào)，將缺陷檢測(cè)信號(hào)同基準(zhǔn)信號(hào)做差運(yùn)算得到缺陷散射信號(hào)。結(jié)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(shù)據(jù)融合方法對(duì)提取的缺陷散射信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)板中模擬缺陷的成像檢測(cè)。結(jié)果：從雙壓電片單模態(tài)Lamb波激勵(lì)和掃頻分析中可以看出，①雙壓電片電壓同相激勵(lì)可有效抑制對(duì)稱A0模態(tài)并且增強(qiáng)S0模態(tài)，得到較為單一的S0模態(tài)信號(hào)；②雙壓電片電壓反相激勵(lì)可有效抑制反對(duì)稱S0模態(tài)并且增強(qiáng)A0模態(tài)，得到較為單一的A0模態(tài)信號(hào)；③同相激勵(lì)情況下，在55 kHz附近 S0模態(tài)與A0模態(tài)信號(hào)峰峰值之比達(dá)到最大；反相激勵(lì)情況下，在50 kHz附近A0模態(tài)與S0模態(tài)信號(hào)峰峰值之比達(dá)到最大；故選擇 55 kHz進(jìn)行單模態(tài)板中缺陷定位成像研究。從基于單模態(tài)Lamb波和多模態(tài)Lamb波缺陷散射信號(hào)和各種數(shù)據(jù)融合的離散橢圓算法板中缺陷定位成像對(duì)比分析中可以看出，①單模態(tài)Lamb波成像結(jié)果的分辨率比多模態(tài)Lamb波并存時(shí)相同模態(tài)的成像結(jié)果對(duì)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(shù)中，幅值全乘法的檢測(cè)精度和成像分辨率最高，而幅值全加法的檢測(cè)效果較差；③由于55 kHz的A0模態(tài)比S0模態(tài)的波長更短，與缺陷的相互作用較強(qiáng)，對(duì)缺陷更加敏感，A0模態(tài)對(duì)板中模擬缺陷的定位檢測(cè)精度比S0模態(tài)的更高。結(jié)論：通過對(duì)板結(jié)構(gòu)上面表面相對(duì)位置處布置的壓電片施加同相或反相電壓激勵(lì)，可以有效地激發(fā)出較為單一的A0模態(tài)和S0模態(tài)信號(hào)?；趩文B(tài)Lamb波的離散橢圓成像算法對(duì)板中缺陷的檢測(cè)精度比多模態(tài)并存時(shí)A0和S0模態(tài)檢測(cè)精度高；在頻率55 kHz，A0模態(tài)對(duì)S0模態(tài)對(duì)有機(jī)玻璃板的缺陷定位精度高；適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)融合方法可以提高缺陷檢測(cè)可識(shí)別率和定位精度。

來源出版物：工程力學(xué)，2014，31(4):232-238

入選年份：2017