地震响应的实验评价桥梁梁之间强调显得和基牙倾斜

文摘

观察从过去的地震事件表明,倾斜的桥梁地震脆弱是由于诱导水平梁的平面旋转。然而,迄今为止,非常有限的实验研究已经完成行为扭曲的桥梁的冲击。在这项研究中,摇表测试进行单帧与邻牙桥模型进行统一的地面荷载。桥梁与不同的倾斜角度,即。0°30°、45°,被认为是。的冲击行为观察使用一对重击和测量头。研究结果表明,显得的确可能影响倾斜桥梁的响应在纵向和横向的方向不同,从而影响梁的发展旋转。忽略冲击影响,30°倾斜桥可以体验更多的梁相比,旋转45°倾斜的桥梁。重击,桥梁和大型斜交角可能会打开梁位移比连续桥梁。

1。介绍

倾斜桥梁的破坏已经被观察到在许多大地震,例如,1971年圣费尔南多地震(1),1989年洛马普列塔地震(2),1994年北岭地震3),1995年神户地震(4),2010年的莫尔,智利地震(5坎特伯雷,最近2011年的地震(6]。这些观察结果表明倾斜桥梁相比更易发地震的直接桥梁由于引起的横向位移和梁的平面旋转。

1971年圣费尔南多地震后,木材和詹宁斯(1)表示,斜交角效应可能加重损伤的桥梁。Maragakis [7)报道,诱导旋转可能导致重大的梁的横向位移。结论同样是来自韦克菲尔德等。8),突出刚体运动的影响,如平面旋转,在总体响应。

然而,许多研究只关注倾斜角的影响,从而忽视了其他的影响因素,例如,影响桥梁结构之间,尽管过去的观察证实,相邻的甲板和甲板的碰撞与桥台似乎加重损伤桥梁[9- - - - - -11]。

自桥冲击无法避免在强烈地震由于相邻桥结构的不同相的运动12),进行了大量的研究,例如,通过Dicleli和Bruneau13],DesRoches和Muthukumar [14李,et al。15,16],李和Chouw [17郭,et al。18],显示效果的冲击可以显著影响桥梁响应通过减少桥墩弯矩,但增加梁的加速度。

有一些扭曲的冲击效应研究桥梁段相邻桥。Dimitrakopoulos [19),例如,得出梁的旋转增加由于冲击的影响,降低桥梁的固有频率的增加。霍和张20.)用脆弱函数来研究冲击和倾斜角的耦合效应的地震行为动静力高速公路桥梁。他们透露,重击会加剧地震易损性的倾斜的桥梁,而它只有有限的直接影响桥梁。

girder-to-girder碰撞相比,girder-abutment冲击更可能发生由于参与结构的基本频率之间的显著差异。因此,它是至关重要的考虑girder-abutment冲击的影响。

Kaviani et al。21桥台系统)进行了非线性时程分析和证明了倾斜桥有更大的地震反应要比直梁的转动和列飘桥梁。数值研究阿帕德海耶et al。22]表明,土壤与支持,力量的冲击girder-abutment接口主要取决于荷载的特点。倾斜的桥梁的地震反应对桥台倾斜角度也敏感。Omrani et al。23)数值调查seat-type框桥桥台回填。作者透露,桥梁和大斜角度,即。,30°和larger, would be more sensitive to a variation of the abutment backfill than straight bridges. The higher the backfill passive resistance, the more likely the bridges would collapse. On the contrary, through a numerical study, Chen et al. [24)得出的结论是,尽管girder-abutment冲击可能导致重大梁位移,增加失败桥台抗剪键的可能性,它可以减少桥主梁的旋转。王等人。25)进行数值研究倾斜桥梁的地震响应buckling-restrained括号。结果表明,马上回来的使用将大大倾斜桥梁的地震能量消散,从而减少失败的可能性。

尽管许多数值或分析工作的冲击影响桥梁进行倾斜,有时甚至相互矛盾的结果由于缺少验证使用物理实验的结果。到目前为止,没有多少实验测试报告。作者的最好的知识,只有少数实验研究倾斜的桥梁已经执行,其中很少考虑机制和梁的冲击同时旋转。

通过考虑桥台倾斜和回填,罗林斯和Jessee26)通过实验室测试指出,增加倾斜角减少最大的被动倾斜基牙的力量。一个类似的结论也吸引了沼泽(27]。作者还得出结论,被动的力量与后墙的挠度关系扭曲的桥梁会高估了在当前的设计方法。然而,他们的研究主要集中在桥台的响应,从而忽视了倾斜桥梁的地震反应。库恩et al。28)进行了摇表测试1:20桥台系统规模。作者报道,斜交角效应可能会极大地增加横桥主梁的位移和旋转,尤其是在迟钝的角落。进一步的研究由库恩et al。29日]表明弯矩的发展密切相关,相对纵向位移的桥梁梁斜交角是否被认为是。

本研究旨在提高的理解行为扭曲桥梁的冲击。一系列的摇表测试一直在进行桥台系统与不同的倾斜角度。本文特别关注的冲击力量开发girder-abutment接口和桥主梁的旋转。点对点的接触,同样由其他人,例如,李et al。16),库恩et al。23郭,et al。30.),被认为是主要限制因素的影响。这种方法可以提供洞察发展的冲击力量钝角和急性角。

2。方法

2.1。原型结构和模型

桥模型与0°30°、45°斜角度建立了基于纽马克特的一段高架桥替换桥位于奥克兰,新西兰。原型桥只有一段100米和15.5米的高度。段有两个码头,码头到码头运输距离50米和3.44米×1.48米的桥墩截面。原型是一个钢筋混泥土结构箱梁桥。的草图原型段呈现在图1(一)。

修改后的白金汉的定理是采用扩展的方法,首先是由白金汉(31日李)和修改等。16]。由于设备的限制,采用小几何尺度(1):100。为了确保模拟地面荷载的强度,使用2的时间尺度进而导致加速25的比例。加速度是派生的规模因素基础上的长度(l)和时间(T),如表所示1。聚氯乙烯(PVC)被选为构建桥梁模型来减少质量由于其低弹性模量的2.5的绩点。桥墩的截面的30毫米×3毫米是为了履行基本频率的要求。梁截面的50 mm×20毫米被选中。连续纵向和转动刚度的桥是6750年1280 N / m和N / m,分别。基于一系列的恢复测试,平均基本频率是1.96,1.45,和1.75 Hz直和30°、45°倾斜的桥梁,分别。

为了更好地理解梁之间的冲击响应和邻牙,桥的其他影响因素如抑制剂和轴承没有考虑和群众被认为集中在桥主梁。表1和2显示规模因素和总结原型和直桥模型的参数,分别。

2.2。实验装置

桥台系统固定在1.5 m×1米单轴振动台的容量10 kN,受均匀荷载的梁的纵向方向。单轴纵方向的地面运动的桥梁被选出的简化实验结果的解释。理想化的固定基础条件的数量被选为消除影响因素考虑,从而提供一个更好的理解的冲击响应在倾斜的桥梁。加速度计±2 g的容量是固定两端的跨度测量梁的纵向和横向加速度。应变仪连接顶部和底部的皮尔斯测量应变计算力矩对桥墩的弱轴弯曲。四个激光位移传感器。其中两个被两端的桥面梁之间的相对位移测量和邻牙的纵向方向,而另一个附加两个钝角和梁的急性角落获得倾斜桥梁的横向位移。传感器的位置如图所示1。

牙是模拟使用钢框架组成的矩形空心部分。他们被设计为刚性多大桥段,即。,with a significantly higher fundamental frequency, so it is reasonable to assume that only the rigid-body movements of the abutments had been activated during the experiment.

girder-abutment关节的冲击响应模拟使用一对重击和测量头,都在同一角度的码头。重击头部由10毫米直径PVC圆柱块粘在一层钢框架。他们连接两端的梁,可以分离和改变到另一个梁在一个不同的角度。军队使用校准应变计算的冲击。应变测量应变仪,粘在背面的铝带材的尺寸30毫米×20毫米,厚度2毫米。测量头由一对铝条和PVC块。他们固定在支承梁的每一方。重击和测量头的细节呈现在图2。应变仪是用来测量接触压力的计算领域力量的冲击。,以确保后续测试的重复性和测量头的冲击设计具有弹性。

当考虑冲击时,基牙的大小差距和跨度1毫米,而没有考虑冲击时,跨度和基牙固定充分分开,这样他们不能互相接触。与会的桥梁和基牙的照片如图3突显出girder-abutment接触界面。

2.3。地面运动

地面荷载考虑随机模拟基于国际1170.5中指定的设计谱的浅层土壤条件(C类)32]。确保结果的普遍性,连续的桥梁和每个倾斜桥,七个地面运动被认为是在每个没有冲击,冲击的情况下,导致共42测试,如表所示3。伸缩位移,加速时间历史的两个七模拟地面运动作为例子,如图所示4。他们以后表示GMs 1和2,分别。比较目标设计谱和响应谱的GMs呈现在图1和图25。很好的搭配可以观察到。

连续的光谱值和30°、45°倾斜的桥梁是实线,如图所示5。直桥基本频率为1.96赫兹最大的光谱值,而最小的可以观察到的光谱值与30°倾斜桥。

3所示。结果与讨论

3.1。相对位移

梁和邻牙之间的相对位移是其中一个最重要的桥梁地震反应自关闭位移可能导致相邻桥结构在强震的冲击。随后pounding-induced开放运动可能导致梁的取代。是这样打开位移超过长度提供座位。

图6显示了响应时间历史的纵向位移连续和30°、45°倾斜的桥梁和无冲击模型受到通用1。可以看出,没有冲击,最大纵向位移(虚线)是5.24毫米,1.04毫米,2.65毫米,直和30°、45°倾斜的桥梁,分别。直桥最大相对位移之间的桥梁。较大的45°倾斜桥的最大位移比30°倾斜桥可能是由于更大的光谱值(参考图5)。

当考虑冲击时,可以观察到最大纵向位移的减少在所有的情况下,它显示了桥墩梁运动的限制。45°倾斜桥显示1.49毫米的最大纵向位移。

桥梁的最大相对纵向位移和列于表没有冲击4。直桥表明显得减少从4.16毫米到1.11毫米的最大位移。为30°、45°倾斜的桥梁,最大位移是0.85毫米和1.46毫米,分别。平均冲击位移最大值降低了73.3%,12.4%,38.7%,直接和30°、45°倾斜的桥梁,分别。这意味着倾斜角的牙将提供更少的限制。45°倾斜桥显示最大的三座桥之间的纵向位移。的最大位移45°倾斜桥是更大的比直的桥。这是由于pounding-induced梁的平面旋转。

横向位移的响应时间历史钝角和急性的角落甲板如图7。增加最大横向位移是观察到随着倾斜角的增加冲击是否考虑。横向位移在迟钝的角落总是比那些急性角落。没有冲击,最大横向位移,分别为1.69 mm和2.87 mm急性角和2.43毫米和3.23毫米的角为30°、45°倾斜的桥梁。当考虑冲击时,横向位移在急性和1.57毫米和2.25毫米的钝角角落30°倾斜桥,分别而在45°倾斜桥的情况下,相应的位移是2.56毫米和2.89毫米,分别。

因为迟钝的角落更可能是比急性角较大的横向位移,最大横向位移在这个角落里列于表5。比较表4和5显示的最大位移在横向方向上总是大于纵向位移。平均而言,显得最大位移在横向方向上减少29%和37% 30°、45°倾斜的桥梁,分别。结果表明,冲击对梁的横向位移的影响的45°倾斜桥30°倾斜的桥梁。

3.2。弯矩发展

数据8(一个)- - - - - -8 (c)显示弯矩响应时间的历史发展的基础上码头B连续的和30°、45°倾斜的桥梁,分别有和没有冲击。非常相似的趋势之间的弯矩和位移在纵向方向上是直接观察到的桥,而30°、45°倾斜的桥梁,同样的相关性不能观察到的。相反,在倾斜的情况下桥梁、桥墩的弯矩并不反映梁的纵向位移。

没有冲击,最大弯矩0.89 N。0.24 m, N。0.56 m, N。连续的和30°、45°倾斜的桥梁,分别。它表明,倾斜的桥梁将经历不如直桥的桥墩弯矩。45°倾斜桥显示更大的弯矩比30°倾斜桥。弯矩的增加与倾斜角增加可能是由于更大的位移在纵向和横向两个方向的45°倾斜桥(参考表4和5)。当考虑冲击时,最大弯矩减少到0.27 N。0.21 m, N。0.32 m, N。连续的和30°、45°倾斜的桥梁,分别。冲击导致的最大减少直桥0.62新墨西哥州。

最大弯矩总结如表所示6。没有考虑冲击时,平均弯矩0.72 N。0.26 m, N。0.50 m, N。米直和30°、45°倾斜的桥梁,分别,而冲击发生时,他们正在0.26 N。0.20 m, N。0.30 m, N。m,分别。通过考虑冲击,减少的趋势可以观察到在所有测试。此外,重击,45°倾斜桥最大的最大弯矩之间的桥梁。

3.3。旋转的梁

进一步的调查进行的梁旋转倾斜的桥梁。不同横向位移的钝角和急性角测量计算平面旋转梁的30°、45°倾斜桥(见图9)。与冲击的最大旋转梁30°倾斜桥从0.144°减少到0.104°,而从0.078°它增加到0.113°的45°倾斜桥。之间的不同趋势30°、45°倾斜桥表明,除了限制纵向和横向运动,桥台的倾斜角也影响梁的转动。

最大的梁旋转列于表7。平均冲击降低了梁的旋转30°倾斜桥约40%。相反,它导致增加梁的旋转45°倾斜桥约30%。的结果表明,30°倾斜桥,显得限制梁的运动,从而导致更小的旋转。然而,45°倾斜桥经历更严重的偏心显得比30°倾斜桥。因此,即使仍然显得限制平动运动梁在纵向和横向的方向,他们贡献更大的旋转。结论与数值研究的结果的观点由Bi et al。33]。

3.4。冲击力量发展

的冲击力量开发girder-abutment界面测量。结果见图10。可以看出,连续的桥梁,显得越来越少,但更大的大小,而对于倾斜的桥梁,显得更加频繁,但较小的大小。直桥有38.14 N的最大冲击力量,而最大的冲击力量8.59 N和18.24 N 30°、45°倾斜情况下的桥梁,分别。这些冲击力量获得很可能高估了因为刚性基牙的假设。在现实中,显得还将产生波,传播通过桥台之间的接口和回填土。这些传播波传输能量远离桥台的影响系统的一部分,从而导致不同girder-abutment交互和打击部队。

列于表的最大冲击力量8。平均值是28.48 N, 9.93 N,和17.18 N直和30°、45°倾斜的桥梁,分别。结果表明,有一个小斜交角有利于减少冲击力量的发展。

求出冲击的机理和梁之间的邻牙,梁在冲击时刻的速度和加速度连续的桥梁由于通用1在数据绘制11(一)和11分别(b)。数据11(c)和11(d)的放大曲线数据11(一)和11(b),分别在2.6和2.75年代之间的时间窗口展示冲击的影响在随后梁响应。观察表明,梁加速度达到最大负值时即时当力的冲击达到积极的最大的垂直的实线(见数据11(c)和11(d))。之前与桥台,梁的振幅速度是0.5米/秒,这是减少到0.36 m / s的影响(垂直的虚线表示的数据11(c)和11(d))。

观察表明,除了限制梁运动,冲击也可以把梁在相反的方向。重击,动能转化为弹性应变能变形的接口。因此,速度的大小减少,而加速度增长。刚刚重击力达到最大值时,弹性应变能将重新传送到动能随着梁离牙;因此,降低加速度和速度增加可以观察到。过程中能量损失导致在随后的梁的振幅减少速度。

如前所述,重击一个复杂影响桥的后续反应大倾斜角。披露这方面,梁加速度的纵向和横向方向45°倾斜桥在不同时间窗口绘制在图12,而力量如下所示相应的加速度的冲击。

在4和4.25年代之间的时间窗口,梁的纵向方向加速1.972 m / s²明显大于0.139米/秒的横向加速度²袭击发生时(垂直虚线所示的数据12(一)和12(b))。这意味着重击时即时将主要影响发展的纵向响应。

介于5.6和5.85年代,横向和纵向方向的加速度大小几乎相同冲击发生时(参见数据的垂直虚线12(c)和12(d))。减少的冲击最大的纵向加速度从0.392 m / s²0.165 m / s²,而显著增加的最大横向加速度从0.039 m / s²1.148 m / s²。

数据12(e)和12(f)表明,纵向加速度的大小为0.094 m / s²小于1.116 m / s的横向加速度²在瞬间的冲击。力的冲击明显小当它伴随着一个横向响应大于纵向响应。从数据结果12(一),12(c)12(e)表明,打击力的大小是更重要的是影响比横向桁梁的纵向运动运动。

观察图12还表明,冲击有不同影响随后的纵向和横向梁,因此结果的反应时间增加桥梁的梁旋转大倾斜角。

调查的影响冲击响应的码头,比较打击力和弯矩之间的桥梁呈现在图13。每个桥的冲击力量由固体红线表示,而弯矩冲黑色线条所示。结果表明,冲击对桥墩的弯矩的影响明显不同的直和倾斜的桥梁。

从图可以看出(13日)直鼻梁,显得出现在几乎每一次弯矩时达到峰值。结果证实了由桥墩梁运动的障碍,从而限制了弯矩的发展。只有一个重击力撞击发生时可以观察到。倾斜的桥梁,然而,许多的力量可以观察到在联系,提出在数字13 (b)和13 (c)。频繁的影响可能与梁的平面旋转。在这种情况下,当冲击发生时,弯矩仍在进一步发展,环绕在图5.3秒13 (c)。结果表明,码头进一步弯曲方向相同;也就是说,不可能有效地限制运动的冲击的码头。

4所示。结论

探讨倾斜角对桥梁的地震响应的影响通过考虑显得梁与邻牙之间,42摇表测试进行桥台系统进行统一的地面运动作用在纵向方向上的桥。这一研究获得的结果只适用于相同或非常相似的情况下,即,具有类似结构的动态特性和受到类似的地面运动。是得出以下结论:(1)认为,没有跳动,45°倾斜角增加最大横向位移的1.47和1.38倍30°倾斜角度,分别。(2)捣碎的弯矩降低码头的倾斜桥的桥梁由于限制运动在纵向和横向两个方向。(3)相对于反应没有冲击效应,重击降低了桥梁的整体反应30°倾斜角度。相比之下,冲击增加了平面梁旋转1.3倍的桥45°斜角度。(4)当被认为是,45°倾斜桥将有更大的开放比直桥主梁位移;即相对较大的桥梁斜交角有更多比直桥取代的可能性。(5)平均而言,桥梁用45°斜交角有一个最大的打击力和弯矩比桥梁斜交角为30°。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。这些数据应该请求(自弃,zyan511@aucklanduni.ac.nz)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢业务、创新、就业的支持本研究通过自然灾害研究平台(批准号3708936)。作者也想扩展他们的感谢中国支持博士研究奖学金委员会(CSC)的奥克兰大学的第一作者(批准号201706400080)。

引用

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