CentrifugeModelingofBridgeSystemsDesigned剖析Word文档格式.docx
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关键词：
地震；
浅基础；
摇摆桥；
离心模型
简介：
在地震导致桥体崩塌的案件中，这些桥体有的是因为钢筋混凝土柱的损坏，有的是因为钢约束的不足，有的是因为抗剪钢筋的缺乏和延性不足。
然而，在某些案件中，摇摆却基础有助于避免桥梁柱体的严重破坏。
但是，摇摆系统的普及仍然存在一些障碍：
摇摆基础强度不能确定的错误想法；
因为摆动而过多的关注桥梁倾覆；
估计漂移率和沉降量还缺乏实践经验。
特性：
独立基础的基础中心的倾覆力矩达到受弯承载力时候，
基础开始摇摆。
土壤承压平衡了垂直荷载。
示意图如下：
由此提出了极限摇力矩（rockingmomentcapacity）的定义：
（1）
式中Q=与土体地面接触的总垂直荷载，包括桥面重，基础重和覆土重。
Lf=振动方向的基础长度
A=基础面积
Ac=临界面积（当极限承载力充分发挥作用后来支撑Q。
）
临界长度
定义了基底剪力系数：
（2）
式中
且
在0.2~0.3之间
=横向应力/上层结构重量（
g）（如上图）
图解：
X轴：
基础转动（毫弧度）；
Y轴：
当时摇力矩/极限摇力距
此图很好的说明了：
摇摆基础可以很好地吸收土体产生的能量且摇摆基础非常有韧性（其延性>
10）
二柱受弯的桥梁系统特性
上图为两种破坏机理（a）摇摆基础和顶部柱体屈服（b）摇摆基础和刚性柱体
图（b）中用销连接柱顶和上部结构，销可以传递剪切载荷但不向柱子传递弯矩。
这可以防止弯矩转移到基础上还能防止摇摆。
但本实验中作者允许销在破坏范围里摆动。
50%的静轴向荷载由基础承受而剩余部分由桥台承受。
因此x=0.5。
对于二柱体系统剪力系数：
桥台和基础的荷载分布依赖于质量分布，而基础的沉降与桥台，桥面刚度有关。
很多原因促使了桥面刚度成为一个很重要的设计因素。
首先，垂直刚度影响基础所承受的全部垂直荷载中的一部分（即，因素x）其次，长轴的扭转刚度对可以影响桥面的旋转和隆起，而横向刚度的影响微乎其微，因为桥面在这个方向上相对刚度大。
实验设计和模型属性
其中LJD01模型涉及单自由度桥和非线性柱模型的相互作用。
LJD02研究加州南部的两个两柱两跨原型桥。
前一个执行新设计原则（新西兰国际1170.5），后一个设计抗震标准需求。
为了探讨摇摆系统的翻转机制，LJD03测试倾向于研究反复震动引起的崩塌，用来比较摇摆基础系统崩塌机制与固定基础中柱体屈服机制。
下表给出了测试序列，物理模型代码，他们的关键模型属性，土壤密度和承载力安全因素
SD=小型基础模型；
MD=中型基础模型；
SF=小型基础模型；
LF=大型基础模型；
4CSF=四个柱体和四个小型基础组成的模型
=土壤相对密度
=传统浅基础承载力方程计算的土壤的垂直承载力安全系数
=摇摆基础的基底剪力系数
=铰接柱的基底剪力系数
如果Cr<
Cy，则基础在柱子塑性铰形成前有摇摆的倾向，固定基底的情况相反。
如果Cr与Cy很相近，那么在柱子和基础都可能发生塑性行为。
上表为离心模型所涉及的比例因子。
其中N是重力的比例因子。
桥梁模型是建立在均匀的、干燥的；
级配D50=0.17mm的Nevada沙子上，相对密度分别是73%（LJD01），77%（LJD02）,and38%（LJD03）。
峰值摩擦角大约36°
（LJD01和LJD02）和33°
（LJD03）。
为了达到最低的垂直承载力安全系数，本实验使用相对密度38%的沙子，测得最低值为LJD03测试中显示的11。
而LJD01,LJD02实验显示摇摆基础在致密砂中能很好的进行。
物理模型的设计和描述
下图为实验模型：
LJD01（a）LJD03（b）LJD03（c）LJD03（d）
下图为LJD02的纵向方向桥模型、基础水平方向的正视图
下图为LJD02的三维模型
测量LJD02简支边界桥面的垂直弯曲刚度是1.20E4kN/m,然而目标刚度是0.94E4kN/m。
测量扭转刚度是4.90E6kN·
m然而目标是7.38E6kN·
m。
如果基础相对于桥台和自由场地减小1cm，那么每个基础的垂直荷载将会减少60kN（=1.20E4kN=m×
0.01m/2）。
aT1fixed=在离心测试前测量的固定基础的基本周期
bT1m=在离心测试期间测量的固定基础的基本周期
当摇摆基础允许时候，有切口柱子的模型的周期延长率从0.48s到0.8s多，SD,MD都是1.17s，只比1.15s多一点，因为切口柱子的原因，SD,MD周期延长率变化不是很明显。
输入动作
PGA=峰值地面加速度PGV=峰值地面速度
Sa=光谱峰值加速度Tp=主要时间
AF=所输入运动的放大系数
动作按比例缩小并且避免超过其振幅能力，频率，避免超过离心和振动台设备的承受能力。
实验结果
离心模型试验配备了丰富的位移传感器，加速度计和应变仪。
协同耦合位移传感器和加速度计测量模型的平移和旋转运动，轴向应变仪上测试测量柱子的动态力矩和轴向载荷。
所选择的输入事件的历史加速时间：
（a）旧金山LJD02；
（b）加兹利LJD02;
（C）摩根LJD03；
（d）4VAStepPulseinLJD03;
（e）1999台湾集集地震;
（f）旧金山和台湾集集地震；
（g）加兹利、摩根和4VAStepPulse
LJD02上桥面漂移；
摇摆基础（上图）固定基础（下图）
展示了桥面漂移率，等于桥面的侧向位移除以桥面相对于基础的高度。
摇摆桥基础的基础转动峰值是12.5mrad，然而永久的旋转是3.4mrad。
基础已经倾向摇摆回最初的位置。
然而，传统铰接中柱体的转动峰值是27.5而它的永久转动值是13.0mrad。
摇摆桥的最大总漂移率（=柱转动值+基础转动值）要比传统铰接柱体大。
但是两个桥系统残余总漂移率（residualtotaldrifts）是基本相同的。
摇摆桥要小一些。
但是柱体屈服仍然显著，这显示出摇摆桥的柱体实验值要比设计值微弱。
可能归因于铝强度由于焊接导致的退化。
摇摆力矩：
（a）摇摆桥的基础；
（b）铰接桥的基础；
（c）摇摆基础桥的柱体；
（d）铰接桥的柱体
小摇摆基础的弯矩承载力即使在两个完整周期后也没有显示出退化。
大的磁滞回线循环消散大量的地震能量。
最大力矩和预测值相应。
也观察到当翻转大约大于2mrad时基础开始屈服。
对于摇摆桥系统来说，能量通过摇摆基础和铰接柱子耗散的分别是204kN·
m和352kN·
摇摆基础占总耗散能量的37%
对于传统的铰接柱子桥梁系统，能量通过基础和铰接柱子耗散分别是82和617。
柱子所耗散的能量占总耗散能量的88%。
圣费尔南德LJD03测试照片：
（a）大型基础铰接柱体；
（b）小型基础摇摆基础；
（c）摇摆基础干扰地面
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