圆端形铁路桥墩变形能力分析方法研究

研究目的:目前,国内外桥梁抗震设计规范普遍采用基于墩底截面弯矩-曲率分析和塑性铰模型的变形能力分析方法来定量计算桥墩在水平地震下的延性能力,为了考察这种分析方法在我国铁路桥墩抗震设计中的适用性,对当前尚缺少研究的圆端形铁路桥墩的变形能力进行理论分析和试验验证。研究结论:(1)圆端形桥墩试件变形能力的理论计算结果与试验结果非常吻合,基于墩底截面弯矩-曲率分析和塑性铰模型的变形能力分析方法适用于圆端形铁路桥墩的抗震设计;(2)圆端形铁路桥墩的等效塑性铰长度经验公式和塑性铰区最大容许转角的延性安全系数的取值可以与我国JTG/T B02—01细则和CJJ166规范的规定相一致;(3)本文给出的圆端形桥墩变形能力分析方法为我国铁路桥梁圆端形桥墩的延性抗震设计提供了方法和依据。     

钢筋混凝土圆形空心高墩地震易损性分析

研究目的:截面形式对桥墩的力学性能有很大影响,中空截面的混凝土铁路桥梁的高墩有明显的优越性,然而目前对圆形中空高墩的抗震性能研究有侍进一步深入。本文以圆形空心高墩控制截面的材料发生损伤时所对应的截面曲率为损伤指标,采用增量动力分析方法,研究了圆形空心高墩的抗震性能。研究结论:分析结果表明:(1)圆形空心高墩在地震作用下,墩底、墩身中部、墩顶都是容易发生损伤的部位,但墩底比墩身中部和墩顶发生损伤的概率更大;(2)圆形空心高墩各个截面发生完全损伤的概率较小,说明圆形空心高墩的抗震性能优异;(3)圆形空心高墩地震易损性分析可为实际工程中高墩铁路桥梁的抗震性能研究提供理论依据。     

高速铁路桥墩等效塑性铰长度研究

研究目的:等效塑性铰长度在墩柱的简化抗震设计中普遍用于预测墩顶的极限水平位移。高速铁路桥墩具有截面尺寸大、纵筋率较低等特点,目前我国铁路抗震设计规范未对桥墩的塑性铰长度给出建议值,设计人员只能参考现有的经验公式进行抗震设计,其适用性还不明确。本文基于9个高速铁路圆端形桥墩拟静力试验数据,对多个桥墩进行塑性铰长度的参数分析,与多种设计规范进行对比,旨在研究并提出适用于高铁桥墩的塑性铰长度公式,以方便桥墩抗震设计。研究结论:(1)利用纤维截面梁柱单元,采用修正Chang-Mander混凝土模型进行分析,与试验曲线吻合良好;(2)桥墩高度和轴压比对塑性铰长度影响较大,钢筋屈服强度与直径对其影响较小;(3)相比于已有的规范公式,本文提出的公式可更为准确地预测高铁桥墩的塑性铰长度;(4)该研究成果可用于高速铁路桥梁的抗震设计与分析。     

铁路圆端空心墩等效塑性铰长度试验研究

等效塑性铰长度通常用于估算桥墩顶部的位移能力,是空心墩抗震性能分析的重要指标之一。鉴于目前塑性铰长度公式大多源于实心构件的试验和理论成果,铁路圆端空心墩的塑性铰特性、现有计算模型的适用性等亟待深入研究。因此,对4个1/6缩尺的圆端空心墩模型进行拟静力加载,观测试件损伤演化历程,分析桥墩塑性铰和曲率分布特性,并比较既有塑性铰长度公式计算值与实测值。结果表明:最终墩身裂缝分布范围约占桥墩高度的2/3,塑性损伤主要集中在墩底空心墩倒角附近区域;由于墩底实心段、倒角过渡段和墩身变截面的影响,墩底塑性铰区相对延长并整体上移;Eurocode8模型计算结果与试验值最为接近,可用于估算铁路圆端空心墩等效塑性铰长度。     

高烈度区实体双薄壁矮墩连续刚构桥抗震设计

研究目的:以高烈度区实体双薄壁矮墩连续刚构桥为研究对象,以桥梁下部结构的整体抗震性能为分析重点,基于三水准设防目标,提出实体双薄壁矮墩连续刚构桥的延性抗震体系选择方法,系统探讨实体双薄壁矮墩的截面尺寸、纵筋配筋率与结构抗震性能的关系。研究结论:(1)对于高烈度区连续刚构桥实体双薄壁矮墩,应根据桥墩的剪跨比判断其破坏模式,并选择相应的延性抗震类别和设计方法;(2)在多遇地震激励下,主墩截面尺寸及配筋设计由纵桥向地震反应控制,随着墩壁厚度的增加,主墩控制截面纵桥向弯矩显著增大,且增幅显著大于横桥向激励的结果;(3)在横向罕遇地震激励下,因实体双薄壁矮墩横桥向的剪跨比较小,桥墩横桥向只能采用完全弹性或基本弹性结构,导致桥墩及桩基的配筋率显著增大,成为控制桥梁下部结构设计的主要因素;(4)纵向罕遇地震激励下,壁厚增大,主墩塑性转角需求减小,在壁厚与纵筋配筋率的三种组合条件下,主墩塑性铰区截面塑性转动能力均能达到"大震不倒"的抗震性能需求,且其变形能力安全储备基本相当;(5)该研究成果可为类似桥梁的抗震设计提供参考。     

小剪跨比铁路圆端桥墩拟静力试验及易损性分析

为厘清小剪跨比圆端铁路桥墩横桥向的地震损伤机理,以国内某铁路沿线桥梁为参考开展3组缩尺比1∶8的拟静力试验,对滞回曲线的延性、残余位移、滞回耗能和刚度退化4个方面进行分析,以试验结果为参考使用OpenSees建立纤维截面有限元模型并进行耐震时程动力计算,以桥墩的位移延性比为损伤指标,基于试验中观察得到的4个关键节点定义无、轻微、中度、严重和完全损伤5种损伤状态之间的位移延性比临界值,通过易损性分析桥墩的损伤发展历程。研究结果表明：1)配筋率从0.3%提升至0.7%,桥墩的承载能力提高至1.37倍,极限位移提高至1.22倍,最终残余位移提高至1.55倍,耗散能量增加至1.80倍,初始刚度提升至1.08倍,最终刚度提升至1.12倍。提高配筋率可以提升桥梁抗震性能,也能增加桥梁抗震韧性。2)当桥墩配筋率由0.3%提至0.7%时,在多遇地震下,轻微损伤概率从87.2%降为29.8%;在设计地震下,中度损伤的概率从63.5%降为30.0%;在罕遇地震下,严重损伤的概率从61.7%降为16.4%。纵筋配筋率可以大幅降低桥墩的损伤概率,提升桥墩的抗震性能。3)在现行铁路规范允许的延性系数为4.8时,...     

截面形状对双肢薄壁墩温度场的影响分析

研究目的:置于自然环境下的高墩大跨混凝土结构,难免要受到日照温度荷载的作用,在这种荷载作用下,双肢薄壁墩会产生较大的温度应力与变形,严重的会引起墩身工程事故。本文以邢汾高速公路洺水大桥105.09 m高的双肢矩形薄壁空心墩为研究对象,利用ANSYS有限元软件的热分析及耦合分析功能,对不同截面形状的薄壁空心高墩在日照辐射作用下的温差效应进行仿真分析。研究结论:计算结果表明:(1)有限元软件ANSYS的热分析以及耦合分析功能可以很快速方便的计算双肢薄壁墩结构的温度场和温差效应;(2)温度应力随着截面边棱的增加而增加,而结构的变形却随着截面边棱的增加而减小;(3)温度应力的最大值一般在截面的角隅处出现;(4)在设计不同截面的双肢墩时,应综合考虑不同截面形状对温度应力以及变形的影响,选择合适的截面形状,使得高桥墩的温度裂缝控制在最小范围内;(5)该研究成果可以为薄壁高墩的设计和施工提供参考。     

低配筋铁路桥墩抗震性能的试验研究

通过对低配筋大比例尺铁路桥墩模型的伪静力试验,对试件的破坏形式进行分析,研究了低配筋铁路桥墩的延性抗震性能,分析其位移延性比、转角 位移曲线的包线与剪跨比、配筋率、配箍率之间的关系,得出了桥墩抗震设计的基本参数。     

铁路门式墩非线性时程反应分析研究

研究目的:门式墩属于典型的钢筋混凝土桥墩,在罕遇地震作用下,应进行非线性时程反应分析。本文以某铁路门式墩为研究对象,通过人工生成地震波,利用纤维塑性铰单元建立Midas非线性有限元计算模型,计算其在罕遇地震波下的动力响应。研究结论:(1)将纤维塑性铰模型用于门式墩这种墩柱轴力的时变较大的结构进行非线性弹塑性地震响应分析是可行的;(2)算例计算结果表明:按照规范规定配置箍筋的情况下,门式墩潜在塑性铰区域均不同程度进入了塑性工作状态,在7度(0.1g)和8度(0.2g)的水准下,延性比的平均值分别为1.60和3.02,在9度(0.4g)的水准下,需将截面配筋率提高至1%,延性比的平均值为4.51,满足规范要求;(3)非线性时程反应分析时,设计人员除了需要关心延性比的数值是否满足规范要求以外,还应特别注意查看塑性铰区域截面的状态,以确保结构不发生倒塌;(4)鉴于非线性时程反应分析的理论和软件越来越成熟,规范宜明确给出分析所需的各种参数,便于技术人员进行准确的应用;(5)本研究成果可用于铁路桥梁抗震设计。     

罕遇地震下U形梁高架车站延性抗震设计

基于滨海新区轨道交通Z4线某U形轨道梁高架车站,建立弹塑性分析有限元模型,根据安评报告给出的地震时程曲线,分别对轨道梁下联接墩、无站厅层墩和有站厅层墩进行罕遇地震下桥墩地震响应分析及延性抗震设计。结果表明,地震激励下,各墩均进入弹塑性工作阶段,计算结果满足相关规范要求。研究得出的高架站桥墩弹塑性分析方法和延性抗震设计结果可为城市轨道交通U形轨道梁下桥墩延性抗震设计提供借鉴。     

近海环境下耐久性损伤刚构桥墩时变抗震性能分析

基于OpenSees平台,以全寿命周期内某近海刚构桥桥墩为例,考虑刚构桥墩墩顶约束条件,进行非线性时程分析,通过截面弯矩—曲率曲线分析氯离子侵蚀对桥墩抗震性能的影响。随着服役期延长桥墩耐久性损伤程度增大,材料力学性能不断退化,当服役期达到67a时,保护层开裂;桥墩中仅箍筋发生锈蚀时,氯离子侵蚀对桥墩承载力和延性影响较小;当纵筋发生锈蚀后,墩顶最大位移随服役期的延长而增大,抗震性能明显降低。本文研究成果可为桥梁全寿命周期内抗震性能设计提供技术参考。     

跨坐式单轨高架车站抗震分析研究

为研究分析跨座式单轨高架车站的抗震设计,基于跨座式单轨交通的特点,以柳州轨道交通为工程背景,在满足使用功能、规范要求下,分析了单轨高架车站墩柱抗震结果,为单轨高架车站设计提供建议。通过分析得出结论:(1)在多遇地震作用下,桥墩及基础均处于弹性状态,满足规范要求;(2)在设计地震、罕遇地震下支座抗剪满足要求,设计地震下桥墩变形满足要求;(3)在罕遇地震作用下,桥墩均未进入弹塑性状态,各桥墩控制点延性比均小于允许值4.8,满足延性设计要求。     

高墩连续刚构桥地震响应影响因素分析

以某(84+160+84)m连续刚构桥为背景,建立考虑主梁-桥墩-桩基-土层的有限元模型,对桥墩高度、桥墩截面、双肢薄壁墩间距等影响因素分析,同时也对典型截面的内力与位移计算分析。研究结果表明:在桥墩高度为60~100 m范围内,中墩顺桥向剪力基本稳定,不再随桥墩高度的增加而递减。桥墩高度为100 m时梁体中跨跨中截面顺桥向与横桥向位移达到139.1和97.5 mm;从抗震角度分析,圆形截面桥墩对位移影响较大,空心矩形桥墩截面与实心矩形桥墩截面形式对墩顶内力的影响不大,故空心墩较节约材料;对于文中连续刚构桥分析,双肢薄壁墩间距为8 m时,梁体位移与桥墩墩顶内力均达到最小,合理的双肢薄壁墩间距能有效降低墩顶受力与梁体位移,能有效提高地震作用下的安全系数。     

重载铁路桥梁高墩施工质量控制

在丘陵山区等地区,重载铁路桥梁常采用大跨高墩的桥梁形式,常见墩柱类型有圆端形实心墩、圆端形空心墩、矩形空心墩等,重载铁路桥梁高墩施工质量控制已是铁路桥梁施工领域的一项重要课题。以神华集团准池铁路大沙沟特大桥为依托,根据其现场高墩施工情况,阐述重载铁路高墩施工质量控制的重点项目及主要质量控制措施。     

墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩抗震性能研究

为改善低配筋铁路重力式桥墩的延性性能,提出1种墩底设置无黏结钢筋的铁路重力式桥墩。设计制作配筋率分别为0.2%和0.3%、钢筋完全黏结和墩底设置无黏结钢筋共4个模型桥墩,采用拟静力试验,进行墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩抗震性能研究。结果表明：墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩破坏时仅在墩底形成1条贯穿裂缝,区别于钢筋完全黏结桥墩破坏时墩身出现多条裂缝的破坏特征;在保证承载能力基本不变的情况下,桥墩的极限位移增大,延性提高,但刚度略有下降,滞回曲线形状“捏缩”效应明显,且配筋率越大,“捏缩”效应越明显;在墩底设置无黏结钢筋,可有效改善低配筋铁路重力式桥墩的抗震性能。     

川藏铁路简支梁桥地震易损性及适应性分析

研究目的:震害表明,铁路桥梁作为交通系统中的枢纽结构在地震中极易受损。在建的川藏铁路穿越甘孜炉霍地震带和雅鲁藏布江地震带,地震设防烈度均在8度以上。本文以铁路桥梁中常见结构形式32 m跨简支梁桥为研究对象,采用汶川地震波,以位移延性比为破坏指标,对不同墩高的32 m跨简支梁桥进行易损性和适应性分析,为川藏铁路桥梁的抗震设计提供参考和依据。研究结论:(1)地震易损性分析结果表明:就川藏铁路桥梁墩高从3 m到40 m而言,25 m墩高的桥墩损伤概率最大,当地面峰值加速度为0.35g时,对应的轻微破坏概率为18%,说明桥墩抗震性能较好;(2)适应性分析结果表明:各种墩高的桥墩抗震性能相对较好,4种损伤状态中,轻微破坏和中等破坏的曲线较为接近,中等破坏和严重破坏的曲线离得较远,结构具有相对较好的延性能力;(3)本研究成果对于进一步完善西南山区铁路桥梁的抗震设计、震后紧急响应以及桥梁结构的评估等具有指导意义。     

行波效应对矮塔斜拉桥弹塑性地震响应的影响

研究目的:为探讨行波激励条件下铁路矮塔斜拉桥弹塑性地震响应的变化规律,基于弹塑性分析理论基础,本文以某主跨(144+288+144)m的铁路矮塔斜拉桥为工程背景,采用大刚度法实现多点激励以模拟行波效应,对比分析一致激励和行波激励(考虑不同剪切波速)条件下铁路矮塔斜拉桥弹塑性地震响应的差异。研究结论:(1)相比一致激励,行波效应会引起桥墩产生更大的弹塑性位移、弯矩响应及其非线性位移延性比(延性指标),并使桥墩发生更大的塑性变形;(2)当剪切波速为200 m/s时,行波效应使9~#、10~#主墩福州与平潭侧薄壁墩身非线性位移延性比分别增大6.32%、17.90%、17.67%和33.92%,降低了其延性抗震能力;(3)进行类似结构延性抗震设计时,应考虑地震行波效应的影响;(4)该研究成果可用于指导桥梁延性抗震设计。     

大跨度连续梁拱桥抗震性能研究

为了研究铁路大跨度连续梁拱桥的抗震性能,以某高烈度地区在建高铁(39.55+168+39.55)m连续梁拱桥为例,采用反应谱和非线性时程方法分析其在在多遇地震和罕遇地震下的抗震性能。结果表明:在多遇地震下桥墩截面保持为弹性工作状态,在罕遇地震下固定墩进入塑性,桥墩延性比能够满足规范要求。相关分析方法能为类似铁路梁桥抗震分析提供参考。     

铁路桥梁圆端形空心墩的设计

从圆端形空心墩与其他几种常用铁路桥墩的比较入手,介绍圆端形空心墩的适用范围、构造特点、计算内容;通过对圆端形空心墩设计经验的总结及对不同时速规范、暂行规定的理解,归纳了影响圆端形空心墩尺寸的主要因素;在对圆端形空心墩设计中大量计算数据研究比选的基础上,论述了空心墩的设计特点,总结了墩身设计中的一些规律;阐述了空心墩的设计流程及其控制点。     

增设黏滞阻尼器加固铁路桥梁的减震控制分析

研究目的:基于大地震中铁路桥梁因为墩梁横向位移过大造成的落梁等破坏,本文提出在T梁和墩顶之间增设黏滞阻尼器对桥梁进行减震控制的加固方案。以采用圆端型桥墩的某混凝土简支双片式T梁铁路桥为例,通过ANSYS软件建立桥梁结构模型,选取4条地震动记录,分析地震作用下不同墩高时桥梁的动力响应;选取两种液体黏滞阻尼器的加固布置方案,分析不同的阻尼器布置位置对桥梁墩顶的横向位移以及墩梁横向相对位移的影响规律,研究阻尼器不同设计参数对桥梁耗能减震的效果,结合阻尼器优化得到的参数并最终选定一种效果较好的加固方案。研究结论:(1) 8度罕遇地震作用下,墩顶位移和墩梁相对位移较大,超出了铁路桥梁的允许位移值;(2)随着墩高的增大,墩顶位移随之增大,而墩梁相对位移的变化规律不明显;(3)本铁路桥梁加固时液体黏滞阻尼器的推荐参数为阻尼速度指数a=0.3,阻尼系数C=5 000 k N·(s/m)a;(4)液体黏滞阻尼器能够显著降低地震作用下的墩顶位移和墩梁相对位移,消能减震作用显著;(5)本研究结论可用于既有铁路桥梁的抗震加固及减震控制。