Vorübergehendes Verhalten von Brückenpfeilern bei exzentrischer Einwirkung aus der Nähe

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16667 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um den Einfluss eines Nahverwerfungserdbebens auf das Versagen von Pfeilern zu untersuchen, wird eine doppelfeldrige durchgehende Trägerbrücke errichtet. Die seismische Reaktion der Brücke wird mithilfe der Methode der transienten Wellenfunktionserweiterung und der Methode der indirekten Modenfunktionsüberlagerung berechnet. Lösen Sie die dynamischen und Verschiebungsreaktionen und analysieren Sie die Auswirkung der vertikalen Trennung der Brücke auf die exzentrische Kompression des Pfeilers. Die Ergebnisse zeigen, dass die Trennung unter der vertikalen seismischen Einwirkung nahe der Verwerfung die horizontale Verformung an der Oberseite des Pfeilers erheblich verändern kann und dass die Vernachlässigung der Trennung möglicherweise die exzentrische Kompression des Pfeilers unterschätzt. Berechnungen für unterschiedliche Pfeilerhöhen und Trägerspannweiten zeigen, dass die Trennung einen größeren Einfluss auf die Längsverformung der Pfeileroberseite hat. Daher ist die sinnvolle Gestaltung der Längsbegrenzungsvorrichtung an der Pfeileroberseite im störungsnahen Bereich hilfreich, um den Schaden durch exzentrische Brückenstöße zu reduzieren.

Durch die Einwirkung des Erdbebens beeinträchtigt die Beschädigung der Brücke die Rettung nach der Katastrophe und erschwert den Wiederaufbau nach der Katastrophe1,2. Angesichts der Brückenkollision konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Kollision benachbarter Träger und die Kollision zwischen Hauptträger und Widerlager, und es wurden einige Erfolge erzielt3. Viele Wissenschaftler haben verschiedene Modelle zur Berechnung der Kollisionskraft entwickelt und ein sinnvolles Gerät zur Reduzierung der strukturellen Kollisionskraft entwickelt4,5,6,7. Allerdings gibt es nur wenige Untersuchungen zur vertikalen Kollision, der besonders exzentrischen Kollision zwischen Hauptträger und Brückenpfeiler.

Frühere Daten zur seismischen Fernstörungsüberwachung zeigen, dass die vertikale seismische Beschleunigung geringer ist als die horizontale. Castelli et al.9 analysierten die Wechselwirkung zwischen Boden und Struktur bei vertikalen Erdbeben. Button et al.10 und Wang et al.11 hielten die vertikale seismische Auslegung für weniger wichtig. Mit der Verbesserung des Überwachungsniveaus zeigen immer mehr Daten, dass die vertikale seismische Beschleunigungsamplitude im Nahfeld nahe an der horizontalen seismischen Beschleunigungsamplitude liegt oder sogar weit darüber liegt. Der Spitzenwert der vertikalen und horizontalen Beschleunigung V/H des Kobe-Erdbebens im Jahr 1995 liegt nahe bei 212.

Thomas et al.13 führten eine Modalanalyse der Tacoma-Brücke durch und stellten fest, dass das Ignorieren der vertikalen seismischen Komponente größere Risiken mit sich bringen kann, insbesondere wenn die vertikale Erregungsfrequenz des Bodens nahe an der Eigenfrequenz der Brücke liegt. Borislav et al.14 diskutierten den Einfluss von Langzeitbewegungen (LD) und Bodenbewegungen in der Nähe von Verwerfungen (NF) auf die seismische Leistung seismischer Pfeiler durch numerische Simulation und verglichen sie mit der Reaktion kurzfristiger Fernfeldbewegungen (FF). Es wird ein faserbasiertes nichtlineares Finite-Elemente-Brückenpfeilermodell entwickelt, um das Schadenspotenzial verschiedener Arten von Bodenbewegungen zu bewerten. Ayman et al.15 untersuchten den Geschwindigkeitsaufpralleffekt von Brückenpfeilern mithilfe der Methode der fehlernahen Impulsbewegung, um das dynamische Schwingungsverhalten bei erzwungener Schwingung besser zu verstehen. Im Gegensatz zu ausländischen Brücken sind die meisten Trägerbrücken in China mit Gummilagern ausgestattet und weisen keine Zugfestigkeit auf16,17. Das vertikale Erdbeben nahe der Verwerfung kann zur Trennung von Hauptträger und Lager führen. Um die vertikale Aufprallkraft zu berechnen, verwendeten Yang et al.4 zur Lösung die Methode der transienten Welleneigenfunktion. Allerdings berücksichtigte Yangs Studie nur die Auswirkung der Trennung auf den vertikalen Aufprall, ignorierte jedoch die durch die Trennung verursachte Änderung der horizontalen Verschiebung der Brücke. Es ist notwendig, den Einfluss des möglichen Ablösungsphänomens auf die Beschädigung der horizontalen Brücke unter der starken vertikalen Erdbebenbewegung zu analysieren.

Frühere Kollisionsstudien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Längskollision benachbarter Strahlen18,19,20. Kürzlich verwendete Yang das Kontinuumsmodell, um die vertikale Aufprallkraft zwischen dem Hauptträger und dem Pfeiler zu berechnen. Allerdings berücksichtigt die obige Studie nur das vertikale Erdbeben und ignoriert den Einfluss des vertikalen Abstands von Pfeilern und Trägern auf die longitudinale dynamische Reaktion von Pfeilern.

In dieser Studie wird der Einfluss der Pfeiler-Träger-Trennung auf die Brückenkraft und die Verschiebungsreaktion berechnet, indem eine zuverlässige theoretische Methode für die dynamische Brückenreaktion entwickelt wird. Berechnen Sie mithilfe der Modenüberlagerungsmethode die Grenzlösung der vertikalen Aufprallkraft des Pfeilerbalkens und der Längsverformung der Pfeileroberseite nach der ersten Pfeilerbalkentrennung. Der Einfluss der Pfeilerträgertrennung auf das Pfeilerversagensmodell bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen wurde durch Berechnung der vertikalen Kontaktkraft des Pfeilerträgers und des Pfeileroberseitenversatzes analysiert.

Das in dieser Studie gewählte Berechnungsmodell ist eine zweifeldrige Durchlaufträgerbrücke. Das Berechnungsmodell ist in Abb. 1 dargestellt. Der Hauptträger ist ein vorgespannter Hohlkasten, dessen beide Enden gelenkig mit dem Widerlager verbunden sind. Der Brückenpfeiler ist ein runder Doppelsäulenpfeiler, dessen Boden und Fundament einfach miteinander verbunden sind. Hauptträger und Brückenpfeiler sind mit Plattengummilagern verbunden. In vertikaler und horizontaler Richtung ist die Hysteresekurve der Stütze lang und schmal, und die Dämpfung der Stütze wird vernachlässigt. Um die Berechnung dieser Studie zu vereinfachen, werden in dieser Arbeit die folgenden Annahmen angenommen:

Wenn die Brücke zur Resonanz gezwungen wird, werden die Strukturkraft und die Verschiebungsreaktion immer durch elastische Verformung berechnet.

Ignorieren Sie den möglichen Lagerscherausfall, der durch ein horizontales Erdbeben verursacht wird.

Ignorieren Sie den Unterschied in der Ankunftszeit der horizontalen und vertikalen seismischen Wellen, vorausgesetzt, dass die Erdbeben in drei Richtungen gleichzeitig ausgelöst werden.

Es wird davon ausgegangen, dass die Brücke starr mit dem Boden verbunden ist und die Kopplungswirkung von Boden und Fundament vernachlässigt wird.

Brückenberechnungsmodell.

Das Längsverschiebungsfeld des Trägers kann in statische Verschiebung, starre Körperverschiebung und dynamische Verformung unterteilt werden.

X ist die Verschiebung des Trägers und W ist die Verschiebung des Pfeilers. Die Indizes s, g und d sind die statische Verschiebung des starren Körpers bzw. die dynamische Verschiebung.

Die statische Verschiebung und die Starrkörperverschiebung der Brücke sind wie folgt:

Der dynamische Verformungsanteil der Struktur ist wie folgt:

Die Gleichung beinhaltet die Biegewellenfunktion \({\varphi }_{nb1},{\varphi }_{nb2}\) des Trägers, die Longitudinalwellenfunktion \({\varphi }_{nr}\) des Pfeiler und die Zeitfunktion \({q}_{n}(t)\).

Durch die Berechnung der Randbedingungen und Kontinuitätsbedingungen erhalten Sie die Wellenfunktionen der Brücke:

wobei \({A}_{n1}\), \({M}_{n1}\) und \({E}_{n1}\) die Wellenfunktionskoeffizienten sind.

Die Zeitfunktion der Struktur kann durch orthogonale Konsistenz erhalten werden:

Durch Laplace-Transformation kann \({q}_{n}(t)\) erhalten werden:

wobei \(\zeta\) die Materialdämpfung ist. In Gl. (7), \({ \omega }_{d}=\sqrt{1-{\zeta }^{2}}{\omega }_{n}\).

In der Trennungsphase bewegen sich Träger und Pfeiler mit ihren jeweiligen Frequenzen, die Klassifizierung der Verschiebungsreaktion stimmt mit der Kontaktphase überein.

Die statische Verschiebung und die Starrkörperverschiebung stimmen mit der Kontaktphase überein.

Der Berechnungsprozess der Wellenfunktion in der Trennungsphase ist derselbe wie in der Kontaktphase. Während der Berechnungszeit kann die Struktur mehrmals getrennt werden. In diesem Fall ist \({t}^{*}=t-{t}_{2k}\) die Kollisionsstufe, \({t}^{*}=t-{t}_{2k+1} \) ist die Trennstufe.

Beim k-ten Trennprozess sind die dynamischen Verschiebungsreaktionen von Hauptträger und Pfeiler wie folgt:

Wenn die vertikale relative Verschiebung zwischen der Mitte des Hauptträgers und der Oberseite des Pfeilers weniger als Null beträgt, berührt die Struktur erneut. In der Kollisionsphase ist die dynamische Reaktion von Träger und Pfeiler die Verschiebungsreaktion der Trennstufe, überlagert von der Kollisionsverschiebungsreaktion. Zur Berechnung der strukturellen Verschiebungsreaktion aufgrund von Kollisionen21 wird die Methode der indirekten Modenüberlagerung angewendet. Die spezifische Formel lautet wie folgt:

wobei \({Q}_{nb}, {Q}_{nr}\) die verallgemeinerten Kollisionskräfte sind. \({x}_{0}\) und \({\xi }_{0}\) sind die Koordinaten der Kollisionspunkte von Hauptträger bzw. Pfeiler. \({h}_{nb}\) und \({h}_{nr}\) sind die Stoßimpulsantwortfunktionen.

In dieser Arbeit wird eine zweifeldrige vorgespannte Durchlaufträgerbrücke in China ausgewählt. Siehe Abb. 2 für den spezifischen Abschnitt. Bedenkt man, dass die Dämpfung des Gummilagers sehr gering ist, die Hysteresekurve des Materials lang und schmal ist, wird die strukturelle Dämpfung vernachlässigt. Das Gummilager wird durch zwei Federn simuliert, axiale Steifigkeit \({K}_{c}=2,4\times {10}^{9}\,{\text{N/m}}\) und Schersteifigkeit \( {K}_{v}=2,4\times {10}^{6}\,{\text{N/m}}\). Die Biegeschwingungen der Brücke, die Dämpfungskoeffizienten von Hauptträger und Pfeiler werden mit \({\zeta }_{2}\) = 2 % angenommen.

Abmessungen und Details der Brückenaufriss- und Schnittzeichnungen.

Da die natürliche Periode der Brücke in vertikaler und horizontaler Richtung inkonsistent ist, liegt die in dieser Arbeit ausgewählte seismische Anregungsperiode nahe an den horizontalen und vertikalen natürlichen Perioden für die Analyse. Um die Genauigkeit der Berechnung sicherzustellen und die Komplexität der Berechnung zu vermeiden, müssen außerdem geeignete Zeitschrittinkremente ausgewählt werden. Für die Auswahl der Zeitschritterhöhungen ist es notwendig, die im Träger und Pfeiler übertragenen Eigenschaften klar auszudrücken, sodass für die Analyse während der Berechnung eine kleine Zeitschritterhöhung erforderlich ist. Die Längswellengeschwindigkeit des Brückenpfeilers beträgt \({c}_{r}=\sqrt{{E}_{r}/{\rho }_{r}}\) = 3492 m/s und die Biegung Wellengeschwindigkeit ist \({a}_{r}=\sqrt{{E}_{r}{I}_{r}/{\rho }_{r}{A}_{r}}\)= 1060 m/s. Die maximalen Zeitschrittinkremente müssen kleiner sein als die Zeit, die die Biegewelle und die Axialwelle benötigen, um sich über den gesamten Pfeiler auszubreiten, \(\Delta t

Unter Berücksichtigung der Trennungsbedingung wird die horizontale Verschiebung der Brücke durch die vertikale Verschiebung beeinflusst. Setzen Sie die aufgezeichnete Zeit in die Berechnung der horizontalen Verschiebung ein und ermitteln Sie die horizontale Verschiebung der Brücke unter der Bedingung, dass die Trennung berücksichtigt wird. Die Gesamtrechenzeit beträgt 2 s.

Abbildung 3 zeigt das Modelldiagramm der seismischen Reaktion der Brücke unter Berücksichtigung der Trennungsbedingung. Die gerade Linie stellt die Verschiebungsreaktion im Kontaktstadium dar, der Ursprung stellt den Punkt der Zustandsänderung dar und die Kurve stellt die Verschiebungsreaktion im Trennungsstadium dar. Wenn daher in horizontaler Richtung ein vertikales Erdbeben den Hauptträger und den Pfeiler trennt, befindet sich die Struktur in einem Kontakt-Trennungs-Wiederkontakt-Zustand. Treffen und immer in Kontakt, Trennung kann sich auf die horizontale Verschiebung auswirken.

Diagramm der Verschiebungsreaktion der Brücke bei mehreren strukturellen Trennungen.

Abbildung 4 zeigt die seismische Reaktion der Brücke bei T = 0,2 s. Abbildung 4a,b zeigt die horizontale Verschiebung der Brücke unter der Bedingung, dass die Trennung ignoriert wird. In seitlicher Richtung beträgt die maximale relative Verschiebung von Hauptträger und Pfeiler 29,6 mm. In Längsrichtung beträgt die maximale Relativverschiebung 18,1 mm. In vertikaler Richtung kommt es jedoch bei T = 0,2 s zur Trennung von Hauptträger und Pfeiler. Abbildung 4c zeigt, dass die Brücke innerhalb von 2 s sechsmal getrennt wird und die maximale erzeugte vertikale Aufprallkraft 29,6 MN beträgt, was dem 2,47-fachen der statischen Kraft entspricht. Abbildung 4d,e zeigt die horizontale Verschiebung der Brücke unter Berücksichtigung der Trennung.

Seismische Verschiebungsreaktion von Brücken: (a) die seitliche Richtung ist nicht getrennt; (b) die Längsrichtung ist nicht getrennt; (c) vertikale Verschiebung; (d) es kommt zu einer seitlichen Trennung; (e) es kommt zu einer Längstrennung.

Durch den Vergleich von Abb. 4a und b ist ersichtlich, dass die vertikale Trennung die horizontale Verschiebungsreaktion stark beeinflusst. Unter der Trennbedingung erhöht sich die maximale seitliche relative Verschiebung von 29,6 auf 42,77 mm, was einer Steigerung von 44,5 % entspricht. Die maximale Relativverschiebung erhöht sich in Längsrichtung von 18,1 auf 25,26 mm, also um 39,6 %. In horizontaler Richtung ist die maximale Verschiebung in Querrichtung größer als in Längsrichtung. Dies kann daran liegen, dass Hauptträger und Brückenpfeiler in horizontaler Richtung eine größere Flexibilität aufweisen, während der Hauptträger in Längsrichtung eine größere Steifigkeit aufweist. Daher sollten die Auswirkungen der möglichen Trennung auf die Struktur bei Erdbeben in der Nähe der Verwerfung berücksichtigt werden.

Abbildung 5 zeigt die vertikale Aufprallkraft des Pfeilerbalkens bei verschiedenen vertikalen Anregungsspitzenbeschleunigungen und Anregungsfrequenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kollision hauptsächlich dann auftritt, wenn die Anregungsfrequenz nahe an der natürlichen Vertikalfrequenz der Brücke liegt, und je näher die Frequenz an der Vertikalen liegt, desto größer ist die Kollisionskraft. In dieser Studie wird hauptsächlich die Auswirkung der vertikalen Trennung von Pfeiler und Träger auf das Versagen des Pfeilers berücksichtigt. Als seismische Anregungsperiode wurde T = 0,2 s gewählt.

Die vertikale Aufprallkraft des Pfeilerbalkens.

Bei der Analyse des obigen Modells werden zur Vereinfachung der Berechnung die folgenden Annahmen getroffen:

Ignorieren Sie den Zeitunterschied zwischen vertikalem und horizontalem Erdbeben und stellen Sie ihn als gleichzeitige Erregung ein.

Zur Berechnung der Verschiebungsreaktion der Struktur wird immer das elastische Modell verwendet und die plastische Verformung wird ignoriert.

Bei der Berechnung des durch exzentrischen Aufprall verursachten Biegemoments wird der Kopplungseffekt von Pfeilervibration und Lagerschub vernachlässigt.

Für den möglichen Einfluss zweiter Ordnung des Brückenpfeilers wird der Methodenkoeffizient \(\eta\) in der Spezifikation in die Berechnung eingesetzt.

Das Kollisionsdiagramm ist in Abb. 6 dargestellt. Die vertikale Kollisionskraft kann berechnet werden mit \({\mathrm{M}}_{\mathrm{c}} = F\times\upeta \times \Delta\). In Querrichtung ist \(\Delta\) die seitliche Aufprallexzentrizität und in Längsrichtung ist \(\Delta\) die Längsaufprallexzentrizität, \(\upeta\) ist der Exzentrizitätsverstärkungsfaktor. Abbildung 7 zeigt das Biegemoment, das durch exzentrische Kompression an der Unterseite des Pfeilers erzeugt wird. In seitlicher Richtung erhöht sich das durch exzentrischen Aufprall verursachte Biegemoment von 1,05 auf 1,76 MN·m. Die Längsrichtung stieg von 1,13 auf 1,85 MN m. In horizontaler Richtung erhöht sich das Biegemoment durch exzentrischen Stoß von 1,41 auf 2,5 MN·m. Daher kann die durch die Trennung verursachte exzentrische Kollision das Biegemoment des Pfeilers erhöhen oder sogar zum Versagen des Pfeilers führen.

Schematische Darstellung des Biegemoments an der Unterseite des Pfeilers.

Das durch exzentrische Kompression am Boden des Pfeilers erzeugte Biegemoment: (a) Seitliche Richtung; (b) Längsrichtung; (c) Horizontales Biegemoment.

Abbildung 8 zeigt die Variation des horizontalen Biegemoments von Brückenpfeilern unter drei Bedingungen. Die durch vertikale seismische Anregung verursachte Trennung von Pfeiler und Balken mit zunehmender \(\lambda\)(V/H)-Amplitude wurde ignoriert; das kombinierte Biegemoment steigt von 1,81 auf 2,6 MN·m um 43,7 %. Durch die Erhöhung der Vertikalkraft wird das exzentrische Aufprallmoment vergrößert. Bei Berücksichtigung der strukturellen Trennung erhöht die ausgedehnte Verformung des 0. Pfeilerdachs auch die Exzentrizität, das Biegemoment steigt von 2,61 auf 3,4 MN·m. Daher ist es bei der Betrachtung vertikaler seismischer Einwirkungen notwendig, die vertikale Kraft und die möglicherweise auftretende Ablösung zu berücksichtigen.

Das Biegemoment, das durch exzentrische Kompression unter ungünstigsten Bedingungen entsteht.

Abbildung 9 zeigt die horizontale Verformung der Pfeileroberseite bei unterschiedlichen Pfeilerhöhen. Durch die Trennung erhöht sich die Verformung an der Oberseite des Pfeilers sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung. Die Trends in beide Richtungen sind jedoch unterschiedlich. In seitlicher Richtung nimmt die Verformung der Pfeilerspitze zunächst zu und dann ab. In Längsrichtung hingegen nimmt sie monoton zu. Der Grund für diese Situation liegt darin, dass die seitliche Eigenschwingungsperiode der Brücke durch den Hauptträger beeinflusst wird, während die Längseigenschwingungsperiode der Brücke hauptsächlich durch den Pfeiler beeinflusst wird. Am Höhepunkt der relativen Querverschiebung liegt die Eigenschwingungsperiode des Brückenpfeilers nahe an der Eigenschwingungsperiode der Brücke. In Längsrichtung liegt die Eigenschwingungsperiode des Pfeilers nahe an der der Brücke. Die relative Verschiebung nimmt mit zunehmender Pfeilerhöhe zu.

Horizontale Verformung der Pfeileroberseite bei unterschiedlichen Pfeilerhöhen: (a) seitliche Richtung; (b) Längsrichtung.

Abbildung 10 zeigt die Trennzeiten von Brücken mit unterschiedlichen Hauptträgerspannweiten. Die angegebenen seismischen Anregungsperioden betragen T = 0,1 s, T = 0,2 s und T = 0,3 s. Die Brückentrennung erfolgt nur, wenn die seismische Anregungsperiode nahe an der vertikalen Eigenschwingungsperiode liegt. Mit zunehmender Spannweite des Hauptträgers wird der Trennungsabstand enger und die Anzahl der Trennungen wird immer geringer. Dies liegt daran, dass die Amplitude von V/H unter der Einwirkung von vertikalen Erdbeben in der Nähe einer Verwerfung im Kurzzeitintervall höher und im Langperiodenintervall niedriger ist.

Brückentrennzeiten bei unterschiedlichen Trägerspannweiten.

Um die horizontale Verschiebung der Brücke unter verschiedenen Hauptträgerspannweiten zu analysieren, wurde die seismische Anregungsperiode zu T = 0,2 s gewählt. Die Hauptträgerspannweite der drei Brücken beträgt 25 m, 35 m und 45 m (bei T = 0,2 s trennen sich alle drei Brücken). Abbildung 11 zeigt die horizontale seismische Reaktion der Brücke bei unterschiedlichen Spannweiten. Seitlich nimmt mit zunehmender Trägerspannweite der Einfluss des Abstands auf die relative Verschiebung des Pfeilerträgers allmählich ab. Bei L = 45 m ist der Einfluss des Abstands auf die relative Verschiebung des Pfeilerträgers sehr gering. In Längsrichtung erhöht der Abstand die relative Verschiebung von Pfeiler und Träger unabhängig von der Größe des Hauptträgers.

Einfluss der Trennung auf die Brücke bei unterschiedlichen Hauptträgerspannweiten: (a) Relative Verschiebung; (b) Schlagexzenter.

Der exzentrische Abstand bestimmt das Biegemoment, das durch den exzentrischen Aufprall auf einen Brückenpfeiler erzeugt wird. In Längsrichtung zeigt die Trennung der Brücke mit zunehmender Spannweite unterschiedliche Trends und ist letztlich nahezu gleich. In seitlicher Richtung nimmt die Exzentrizität mit zunehmender Spannweite monoton zu. Bei geringer Pfeilerhöhe kommt der exzentrische Aufprall hauptsächlich aus Längsrichtung. Mit zunehmender Pfeilerhöhe nimmt der Einfluss des exzentrischen Aufpralls in Querrichtung allmählich zu und übersteigt sogar die Längsrichtung.

Die bisherige Forschung berechnet die Biegung des Pfeilers unter Trennungsbedingungen durch eine theoretische Lösung. Der Kopplungseffekt zwischen Vertikal und Horizontal wird in der theoretischen Lösung jedoch ignoriert. Um die Richtigkeit der Theorie zu überprüfen, wird die ANSYS-Modellierung zur vergleichenden Analyse verwendet.

Die beiden Enden des Hauptträgers sind Gelenkpunkte mit dreidimensionalen Einschränkungen, und die Unterseite des Pfeilers ist ein starrer Knoten. Für den Hauptträger und den Pfeiler wird die Einheit BEAM 188 verwendet. Für Brückenlager werden in Vertikal- und Längsrichtung unterschiedliche Elemente verwendet. Die vertikale Richtung ist als LINK10-Element festgelegt und die Lagerhöhe beträgt ∆Z im unbelasteten Zustand. In Längsrichtung wird das COMBIN 14-Element übernommen und die Federsteifigkeit ist die Schubsteifigkeit des Trägers. Das Lager ist mit dem Pfeiler verbunden und überlappt den Hauptträger.

Um den Trennungszustand zwischen Pfeiler und Balken zu simulieren, der durch eine vertikale Erdbebenanregung in der Nähe eines Fehlers verursacht wird, wenn die vertikale relative Verschiebung der Mitte des Hauptbalkens und der Oberseite des Pfeilers größer als die Stützhöhe ∆Z ist und einen zunehmenden Trend zeigt, wird es verwendet bedeutet, dass Hauptträger und Pfeiler in vertikaler Richtung getrennt sind. Das Längsfederelement ist als totes Element eingestellt und der Hauptträger und der Pfeiler sind in vertikaler Richtung nicht verbunden. Wenn die vertikale relative Verschiebung zwischen der Mitte des Hauptträgers und der Oberseite des Pfeilers kleiner als die Stützhöhe ∆Z ist und eine abnehmende Tendenz zeigt, kollidieren der Hauptträger und der Pfeiler vertikal, das Längsfederelement ist ein spannungsführendes Element , und der Hauptträger und der Pier sind verbunden. Eine konkrete Berechnung finden Sie in Abb. 12.

Flussdiagramm der Finite-Elemente-Berechnung.

Der Hauptträger und der Pfeiler sind getrennt, wenn die seismische Anregungsdauer T = 0,25 s und die vertikale seismische Spitzenbeschleunigung 0,6 g beträgt. Abbildung 13 zeigt den Axialdruck des Pfeilers unter der Finite-Elemente-Lösung und der theoretischen Lösung. Nach der theoretischen Lösung beträgt der maximale Axialdruck auf den Pfeiler 16,8 MN, das 2,8-fache des statischen Drucks. Bei der Finite-Elemente-Lösung beträgt der maximale axiale Druck auf den Pfeiler 22,13 MN, das 3,67-fache des statischen Drucks. Die Finite-Elemente-Lösung ist etwas größer als die theoretische Lösung.

Vertikaler Axialdruck des Pfeilers: (a) Theoretische Lösung; (b) Finite-Elemente-Lösung.

Aufgrund der großen Aufprallkraft auf den Pfeiler und der Änderung der Längsverformung durch vertikale seismische Anregung erhöht sich das Biegemoment an der Pfeilersohle deutlich. Gleichzeitig beträgt das maximale Biegemoment an der Unterseite des Pfeilers 7,96 MN·m, wenn man das Versagen der Längsstützbeschränkung bei der Brückentrennung berücksichtigt, was größer als 5,23 MN·m ist, wenn das Versagen der Längsbeschränkung vernachlässigt wird , was 47,05 % höher ist (Abb. 14). Wenn die theoretische Lösung übernommen wird und die Längstrennung vernachlässigt wird, beträgt das maximale Biegemoment an der Unterseite des Pfeilers im ungünstigsten Zustand 3,46 MN·m. Unter Berücksichtigung der Trennung beträgt das maximale Biegemoment an der Unterseite des Pfeilers 6,74 MN·m.

Biegemoment an der Pfeilersohle.

Beim Vergleich der theoretischen Lösung mit der Finite-Elemente-Lösung lassen sich folgende Schlussfolgerungen zusammenfassen: (1) Mit der Zunahme der Amplitude der vertikalen seismischen Beschleunigung nimmt auch das Biegemoment am Boden des Pfeilers zu; (2) Wenn die vertikale Anregungsamplitude groß ist, besteht bei Nichtbeachtung des Kopplungseffekts die Gefahr, dass die Durchbiegung der Pfeiler unterschätzt wird. (3) Die vertikale Trennung der Struktur erhöht das Biegemoment an der Unterseite des Pfeilers und erhöht das Risiko eines Biegeversagens des Pfeilers. (4) Mit zunehmender Vibrationsdauer nimmt das Biegemoment an der Unterseite des Pfeilers allmählich zu. Gleichzeitig konzentriert sich der Einfluss der Ablösung auf das Biegeversagen von Pfeilern hauptsächlich auf den Abschnitt mit großen Momentenschwankungen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Pieramplitude groß; (5) Bei Verwendung der Finite-Elemente-Berechnung steigt die Axialkraft nach einer kleinen Schwankung stark an, und auch das Biegemoment am Boden des Pfeilers nimmt stark zu.

In diesem Artikel wird ein Träger-Feder-Pfeiler-Modell erstellt, um die möglichen Veränderungen von Hauptträgern und Pfeilern unter Erdbebenbedingungen in der Nähe einer Verwerfung zu analysieren. Der Einfluss eines exzentrischen vertikalen Aufpralls auf den Pfeiler wird berechnet, indem die durch die Trennung verursachte Verformung der Pfeileroberseite analysiert wird. Durch die Berechnung der Reaktion von Brücken unterschiedlicher Größe auf Erdbeben werden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Bei einem Erdbeben in der Nähe einer Verwerfung kann es zu einer vertikalen Trennung von Pfeiler und Balken kommen, wenn die seismische Anregungsperiode nahe an der vertikalen natürlichen Periode der Brücke liegt. Je größer die Eigenschwingungsperiode, desto kürzer sind die Trennzeiten und desto kleiner ist das Trennintervall.

Mit der Zunahme der V/H-Amplitude ist die Zunahme des durch exzentrischen Aufprall verursachten Biegemoments nicht nur auf die Zunahme der vertikalen Kontaktkraft zurückzuführen, sondern auch auf die Zunahme der Quer- und Längsverformung an der Oberseite des Pfeilers.

Mit zunehmender Pfeilerhöhe nimmt die für die Pfeiler- und Balkentrennung erforderliche Anregungsbeschleunigung zu. Die Trennung von Pfeilern und Balken wirkt sich auf die horizontale dynamische Reaktion von Brücken aus. In Querrichtung nimmt die maximale Verformung der Pfeileroberseite zunächst zu und nimmt dann mit zunehmender Pfeilerhöhe ab. In Längsrichtung nimmt die maximale Verformung der Pfeilerkrone monoton zu.

Mit zunehmender Trägerspannweite ist der Einfluss der Ablösung auf die Längsverformung der Pfeileroberseite nicht konsistent. In seitlicher Richtung nimmt jedoch die maximale Verformung mit zunehmender Trägerspannweite zu, unabhängig vom Abstand.

Wenn die vertikale Erregungsamplitude groß ist und die Pfeilerhöhe hoch ist, kann das Risiko einer Pfeilerbiegung unterschätzt werden, wenn der horizontale und vertikale Kopplungseffekt ignoriert wird.

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Diese Studie wurde vom Key Science and Technology Research Project im Bildungsministerium der Provinz Jiangxi finanziert (Nr. GJJ202915).

Modern Education Technology Center, Jiangxi University of Engineering, Xinyu, 338000, China

Zihu Wang, Qingyan Zeng und Yantao Du

Fakultät für Bauingenieurwesen, Jiangxi University of Engineering, Xinyu, 338000, China

Wenjun An

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WA hat den Haupttext des Manuskripts geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Wenjun An.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, Z., Zeng, Q., Du, Y. et al. Vorübergehende Reaktion von Brückenpfeilern unter exzentrischer Einwirkung eines Erdbebens in der Nähe einer Verwerfung. Sci Rep 12, 16667 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21213-4

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Eingegangen: 05. Juni 2022

Angenommen: 23. September 2022

Veröffentlicht: 05. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21213-4

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