Кайминг Би

УДК 539.3:624.042.13

KAIMING BI (КАЙМИНГ БИ),

bkm@civil.uwa.edu.au

HONG HAO (ХОНГ ХАО),

Школа строительной и ресурсной инженерии,

Университет Западной Австралии,

Стирлинг Шоссе, 35, Кроули, Зап. Австралия 6009, Австралия

ЧИСЛЕННОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ  ПОВРЕЖДЕНИЙ  ОТ  СОУДАРЕНИЯ  МОСТОВЫХ  КОНСТРУКЦИЙ  ПРИ  ПРОСТРАНСТВЕННОМ  ИЗМЕНЕНИИ  КОЛЕБАНИЙ  ГРУНТА*

Предыдущие исследования в области соударений с применением упрощенной модели с сосредоточенными массами или модели системы «балка – колонна» основаны, как правило, на предположении, что соударение происходит по точкам при ударных откликах мостовых структур на сейсмические нагрузки. Установлено, что эти упрощенные модели могут быть использованы для вычисления ударных откликов мостов с учетом лишь продольного возбуждения. В реальной конструкции моста соударение при сейсмических нагрузках может происходить по всей поверхности соседних сегментов или частично. Кроме того, крутильная реакция смежных настилов может привести к эксцентрическим соударениям соседних мостовых настилов вследствие асимметричности настила или пространственного изменения поперечных колебаний грунта при наличии нескольких мостовых опор. Необходима разработка детальной 3D-модели конечных элементов для учета взаимной реакции поверхностей и реакции на кручение, вызванных эксцентрическими соударениями и соответствующими повреждениями. В статье представлено численное моделирование повреждений от соударения между балками моста и между балкой моста и соответствующей опорой двухпролетного моста со свободно опертыми пролетными строениями при пространственном изменении колебаний грунта с применением детальной 3D-модели конечных элементов и программы LS-DYNA, реализующейявный метод конечных элементов. Моделируется также потенциал смещения и сноса моста. В модель включены такие элементы моста, как балки, береговые и промежуточные опоры, опорные части пролетного строения, продольная стержневая арматура и арматурные хомуты. Учитывается нелинейное поведение материала, в том числе влияние скорости деформации бетона и стальной арматуры. Представлено стохастическое моделированиепространственных изменений колебаний грунта. Рассматривается механизм повреждения моста при пространственных изменениях сейсмических нагрузок. Численные результаты показывают, что с помощью метода, предложенного в работе, можно в реальном времени отслеживать сейсмически индуцированные повреждения мостовых конструкций.

* Статья переведена и опубликована в «Вестнике ТГАСУ» согласно Лицензионному соглашению с издательством Elsevier № 3323420613044.

Ключевые слова: численное моделирование; ударное смещение; смещение; снос; 3D модель; механизм повреждения; нелинейный материал; неравномерное возбуждение.

Библиографический список

  1. Moehle, J.P., Eberhard, M.O. Earthquake damage to bridges [Повреждения мостов, вызванные землетрясением]. In: Chen WF, Duan L, editors. Bridge engineering handbook. Boca Raton: CRC Press; 2000 [chapter 34].
  2. Uzarski, J., Arnold, C., editors. Chi–Chi, Taiwan, earthquake of September 21, 1999 reconnaissance report [Чи-Чи, Тайвань, землетрясение 21 сентября 1999, докладпорезультатамобследования]. CA: Earthquake Engineering Research Institute; 2001.
  3. Dimitrakopoulos, E.G. Seismic response analysis of skew bridges with pounding deck–abutment joints [Анализ сейсмической реакции косых мостов с соударением узла «настил–опора»]. Eng Struct 2011; 33(3): 813–26.
  4. Malhotra, P.K. Dynamics of seismic pounding at expansion joints of concrete bridges [Динамика сейсмических соударений в компенсационных соединениях бетонных мостов]. J Eng Mech 1998; 124(7): 794–802.
  5. Jankowski, R., Wilde, K., Fujino, Y. Pounding of superstructure segments in isolated elevated bridge during earthquakes [Соударение наземных частей отдельного эстакадного моста во время землетрясения]. Earthquake Eng Struct Dyn 1998; 27(5): 487–502.
  6. Ruangrassamee, A., Kawashima, K. Relative displacement response spectra with pounding effect [Спектры реакции относительного смещения с эффектом соударения]. Earthquake Eng Struct Dyn 2001;30(10):1511–38.
  7. DesRoches, R., Muthukumar, S. Effect of pounding and restrainers on seismic response of multi-frame bridges [Эффект соударения и замедлители сейсмической реакции в многопролетных мостах]. J Struct Eng 2002;128(7):860–9.
  8. Chouw, N., Hao, H. Study of SSI and non-uniform ground motion effects on pounding between bridge girders [Исследование взаимодействия между грунтом и конструкцией и влияние неравномерных колебаний грунта на соударение мостовых балок]. Soil Dyn Earthquake Eng 2005; 23(7– 10): 717–28.
  9. Chouw, N., Hao, H. Significance of SSI and non-uniform near-fault ground motions in bridge response I: effect on response with conventional expansion joint [Значение взаимодействия грунта и конструкции с неравномерными, почти разрушительными колебаниями грунта при поведении моста I: влияние на реакцию традиционного компенсационного соединения]. J Eng Struct 2008; 30(1): 141–53.
  10. Jankowski, R., Wilde, K., Fujino, Y. Reduction of pounding effects in elevated bridges during earthquakes [Снижение эффекта соударения в эстакадных мостах во время землетрясения]. Earthquake Eng Struct Dyn 2000; 29(2): 195–212.
  11. Chouw, N., Hao, H., Su, H. Multi-sided pounding response of bridge structures with non-linear bearings to spatially varying ground excitation [Многосторонняя реакция соударения мостовых конструкций с нелинейными несущими опорами на пространственные возбуждения грунта]. Adv Struct Eng 2006; 9(1): 55–66.
  12. Raheem, S.E.A. Pounding mitigation and unseating prevention at expansion joints of isolated multi-span bridges [Смягчение соударения и предотвращение схода настила у компенсационных соединений отдельных многопролетных мостов]. Eng Struct 2009; 31(10): 2345–56.
  13. Zanardo, G., Hao, H., Modena, C. Seismic response of multi-span simply supported bridges to spatially varying earthquake ground motion [Сейсмическая реакция многопролетного моста со свободноопертыми пролетными строениями на пространственное движение грунта при землетрясении]. Earthquake Eng Struct Dyn 2002; 31(6): 1325–45.
  14. Julian, F.D.R., Hayashikawa, T., Obata, T. Seismic performance of isolated curved steel viaducts equipped with deck unseating prevention cable restrainers [Сейсмические характеристики отдельных изогнутых путепроводов, оснащенных ограничительными железными тросами для предотвращения сноса подферменной площадки]. J Constr Steel Res 2006; 63: 237–53.
  15. Zhu, P., Abe, M., Fujino, Y. Modelling three-dimensional non-linear seismic performance of elevated bridges with emphasis on pounding of girders [Трехмерное моделирование нелинейного сейсмического поведения эстакадных мостов с ориентацией на соударение балок]. Earthquake Eng Struct Dyn 2002; 31: 1891–913.
  16. Guo, A., Li, Z., Li, H. Point-to-surface pounding of highway bridges with deck rotation subjected to bi-directional earthquake excitations [Соударение системы «точка–поверхность» автодорожных мостов с вращением настила, подверженного двунаправленным возбуждениям при землетрясении]. J Earthquake Eng 2011; 15(2): 274–302.
  17. Bi, K., Hao, H., Zhang, C. Analysis of coupled axial–torsional pounding response of adjacent bridge structures [Анализ комбинированной ударной осевой и крутильной реакции соседних мостовых конструкций]. In: Proceedings of the 11th international symposium on structural engineering, Guangzhou, China; 2010. p. 1612–8.
  18. LS-DYNA. LS-DYNA user manual [Инструкция для пользователей пакета LS-DYNA]. Livermore Software Technology Corporation; 2007.
  19. Bi, K., Hao, H. Pounding response of adjacent bridge structures on a canyon site to spatially varying ground motions [Ударная реакция соседних конструкций моста на площадке каньона в условиях пространственных колебаний грунта]. In: Australia earthquake engineering society 2010 conference, Perth, Australia; 2010 [paper no. 2].
  20. Der Kiureghian, A. A coherency model for spatially varying ground motions [Логическая модель для пространственных колебаний грунта]. Earthquake Eng Struct Dyn 1996; 25(1): 99–111.
  21. Bi, K., Hao, H. Influence of irregular topography and random soil properties on coherency loss of spatial seismic ground motions [Влияние неправильной топографиии выборочных свойств грунта на потерю когерентности при пространственных сейсмических движениях грунта]. Earthquake Eng Struct Dyn 2011; 40(9): 1045–61.
  22. ANSYS. ANSYS user’s manual revision 12.1 [ANSYS. Версия 12.1 инструкции для пользователей пакета ANSYS]. ANSYS Inc.; 2009.
  23. Bi, K., Hao, H. Modelling and simulation of spatially varying earthquake ground motions at sites with varying conditions [Моделирование и имитация пространственных сейсмических движений грунта на площадках с переменными условиями]. Probab Eng Mech 2012; 29: 92–104.
  24. Bi, K., Hao, H., Chouw, N. Influence of ground motion spatial variation, site condition and SSI on the required separation distances of bridge structures to avoid seismic pounding [Влияние пространственных движений грунта, условий площадки и взаимодействия «грунт–конструкция» на необходимое пространственное разнесение мостовых конструкций во избежание сейсмических соударений]. Earthquake Eng Struct Dyn 2011; 40(9): 1027–43.
  25. Jankowski, R. Non-linear FEM analysis of earthquake-induced pounding between the main building and the stairway tower of the Olive View hospital [Нелинейный конечно-элементный анализ сейсмических соударений между главным строением и лестничной площадкой госпиталя Olive View]. Eng Struct 2009; 31(8): 1851–64.
  26. Jankowski, R. Non-linear FEM analysis of pounding-involved response of buildings under non-uniform earthquake excitation [Нелинейный конечно-элементный анализ ударной реакции зданий при неравномерных сейсмических возбуждениях]. Eng Struct 2012;37:99–105.
  27. Tang, E.K.C., Hao, H. Numerical simulation of a cable-stayed bridge response to blast loads. Part I: model development and response calculations [Численное моделирование реакции канатного висячего моста при взрывных нагрузках. Часть 1: разработка модели и расчет реакции]. Eng Struct 2010; 32(10): 3180–92.
  28. Li, J., Hao, H. A two-step numerical method for efficient analysis of structural response to blast load [Двухшаговый метод эффективного анализа поведения конструкции при взрывной нагрузке]. Int J Protect Struct 2011; 2(1): 103–26.
  29. Wekezer, J., Taft, E., Kwasniewski, L., Earle, S. Investigation of impact factors for FODT bridges [Исследование коэффициента динамического воздействия для испытания мостов усовершенствованного образца в процессе разработки]. FDOT Structures research laboratory final report. Tallahassee, USA; 2010.
  30. Comite Euro-International du Beton. Concrete structures under impact and impulsive loading [Бетонные конструкции в условиях ударного и импульсного нагружения]. CEB Bulletin 187. Switzerland: Federal Institute of Technology Lausanne; 1990.
  31. Malvar, L.J., Ross, C.A. Review of strain rate effects for concrete in tension [Изучение влияния скорости деформации для напряженного бетона]. Am Concr Inst Mater J 1998; 95(6):735–9.
  32. Malvar, L.J. Review of static and dynamic properties of steel reinforcing bars [Изучение статических и динамических свойств стальных стержней арматуры]. Concr Inst Mater J 1998; 95(6):609–16.
  33. Hao, H., Oliveira, C.S., Penzien, J. Multiple-station ground motion processing and simulation based on SMART-1 array data [Многопозиционная обработка движения грунта и моделирование на базе устройства SMART-1 для хранения массива данных]. J Nucl Eng Des 1989;111(3):293–310.
  34. Tajimi, H. A statistical method of determining the maximum response of a building structure during an earthquake [Статистический метод определения максимального значения строительного сооружения во время землетрясения]. In: Proceedings of 2nd world conference on earthquake engineering, Tokyo; 1960. p. 781–96.
  35. Wolf, J.P. Dynamic soil–structure interaction [Динамическое взаимодействие между грунтом и конструкцией]. New Jersey: Englewood Cliffs; 1985.
  36. Der Kiureghian, A. Structural response to stationary excitation [Реакция конструкции на стационарное возбуждение]. J Eng Mech Div 1980;106(6):1195–213.
  37. Sobczyk, K. Stochastic wave propagation [Стохастическое распространение волн]. Netherlands: Kluwer Academic Publishers; 1991. 

Статья | (3.12 Mб)