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。     

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。     

RPC箱型墩柱塑性铰长度研究

为探讨RPC箱型墩柱塑性铰长度,基于构建的滞回本构模型,运用OPENSEES二次开发平台嵌入RPC材料,结合Steel02材料、非线性梁柱单元和零长度单元,建立考虑墩底纵筋滑移的延性分析模型。通过与3个常轴力作用下RPC箱型桥墩拟静力试验结果对比,验证模型的有效性。在此基础上,探讨水平加载角、轴压比、纵筋直径和墩高等关键因素对RPC箱型墩柱塑性铰长度的影响,提出结合试验研究和数值回归分析的塑性铰长度计算公式,并与规范常用的经验公式进行对比。结果表明,RPC箱型墩柱塑性铰长度随轴压比的增大逐渐减少,随墩高的增加逐渐增大,随纵筋直径和水平方向角的增加表现出先增大后减少的趋势,按Telemachos公式计算结果偏于不安全,按Priestley公式和桥梁抗震规范建议公式计算结果偏于保守,基于试验结果和数值分析提出的回归公式能较好地吻合数值结果并限制过大的塑性铰长度。     

高速铁路钢混连续梁桥弹性约束体系抗震性能研究

以一座高速铁路大跨度钢混连续梁桥为工程背景,介绍了弹性约束体系及设计参数取值方法,从动力特性、桥墩剪力、墩顶位移等方面对比分析了弹性约束体系、连续约束体系的地震响应,探究弹性约束体系纵向抗震性能。结果表明：与连续约束体系相比,弹性约束体系显著延长了桥梁结构自振周期,且多个主墩协同受力;弹性约束体系有效减小了桥墩纵向剪力和墩顶水平位移,设计、罕遇地震工况下桥墩纵向剪力减震率分别为61.26%、40.56%;罕遇地震工况下,弹性约束多功能支座位移达到弹性位移设计值,纵向水平力由纵向限位装置、弹性约束装置共同承担。弹性约束体系具有良好的纵向减震性能,设计地震、罕遇地震工况下桥墩纵向剪力平均减震率分别为60%、43%。     

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。     

远场地震下多跨简支梁桥搭接长度需求分析

为研究远场地震作用下简支梁桥的搭接长度需求，基于ANSYS软件建立多跨简支梁桥的三维有限元模型，分析远场地震动特征对简支梁桥搭接长度和结构弹塑性的影响；利用国内外抗震设计规范，分析简支梁桥在不同墩高、跨径下的搭接长度。分析研究表明：各国抗震规范搭接长度计算公式中，中国和日本规范搭接长度计算公式比较保守，美国东西部的抗震设防标准不同，规范计算的搭接长度差异较大，AAHSTO规范约为Caltrans规范的3倍；远场地震下的搭接长度设置满足抗震设计规范要求，当PGA为0.1g、0.15g、0.2g和0.25g时，2号桥墩墩底的弯矩和剪力最大，其塑性铰最大转角分别为0.007 39,0.007 93,0.023 2 rad和0.021 2 rad,均小于极限转角；在远场地震动不同峰值加速度作用下，墩梁相对位移最大值分别为16.6,18.7,26.2 cm和28.5 cm,占规范计算值的19%、21%、30%和32%;现有抗震规范中的搭接长度计算公式过于保守，应当结合地震动特征进行合理修正。     

轨道交通简支梁钢筋混凝土圆墩地震反应分析

结合郑州市第一条城市轨道交通高架桥的工程实例,通过建立有限元计算模型,对简支梁不同墩高的钢筋混凝土圆形桥墩进行结构动力特性分析、E1地震作用下的多振型反应谱分析以及E2地震作用下基于纤维模型的弹塑性非线性时程地震反应分析,研究不同墩高桥墩的抗震性能和地震响应变化规律。结果表明,桥墩在地震作用下满足抗震设计要求,希望为城市轨道交通桥梁钢筋混凝土圆形桥墩抗震设计提供参考。     

罕遇地震作用下高速铁路减隔震简支梁桥合理计算模型的探讨

以往在分析减隔震桥梁的地震响应时,由于考虑到桥墩和基础应保持弹性工作状态,在基于强度的设计中偏于安全考虑桥墩一般采用毛截面刚度建立弹性梁单元模型。实际上,在罕遇地震作用下,桥墩墩底截面虽然未达到屈服状态,仍然会出现保护层混凝土开裂,并导致桥墩刚度降低。此时,应考虑对桥墩刚度进行适当修正以估计桥梁的各项地震响应参数,这也有利于实现减隔震桥梁基于位移的抗震设计。结合西部高速铁路中典型的简支梁桥结构形式,分别采用弹塑性纤维梁柱单元、弹性梁柱单元、考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩建立3种计算模型,探讨适用于罕遇地震作用下的高速铁路减隔震桥梁的合理计算模型。结果表明,当罕遇地震作用下桥墩位移延性超过0.5时,考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩的计算模型能够较好地估计桥梁各项地震响应参数。     

基于强度折减系数谱的规则桥梁弹塑性地震反应分析方法

选用43次地震中获得的350条地震波,进行单自由度(SDOF)系统的非线性时程分析。运用统计回归方法,得到4类场地上SDOF系统强度折减系数与弹性周期和位移延性比的关系谱。将规则桥梁等效为SDOF系统,提出利用弹性反应谱和强度折减系数谱计算规则桥梁最大弹塑性地震反应的简化方法。等效SDOF系统的恢复力关系通过桥墩塑性铰截面的弯矩-曲率分析确定,并考虑了桥墩基础弹性变形的影响。运用给出的简化方法和非线性时程分析,对32 m铁路简支梁桥在罕遇地震下自振周期及墩顶最大位移进行计算,验证了该方法的有效性。该方法既可用于桥梁结构的抗震设计,也可用于抗震评估分析。     

钢筋混凝土空心墩延性变形能力分析

基于纤维梁柱单元建立钢筋混凝土空心墩滞回分析模型,与试验结果对比验证模型准确性。在此基础上讨论纵筋配筋、壁厚、混凝土强度、剪跨比等因素对空心墩延性变形能力影响。研究表明:对剪跨比大于7.0的高墩,提高纵筋配筋率可有效增强其延性变形能力;而对于剪跨比小于5.0的中低墩,提高纵筋配筋率对其延性变形能力不利;在轴压比和纵筋配筋率一定情况下,空心墩壁厚对其延性变形能力影响不大,而保持轴力和纵筋配筋量不变时,增大壁厚可有效增加中低墩延性变形能力;且在固定轴力下,增大混凝土强度对提高中低墩延性变形能力效果显著。     

高速铁路大高差桥墩竖向温度变形对行车舒适性和安全性影响研究

墩顶竖向变形是高速铁路桥梁安全的重要参数之一。在温度效应下,相邻桥墩高差较大时,桥梁会出现竖向变位差,造成轨道不平顺,这将影响高速铁路的舒适性和安全性。目前国内各类规范对桥墩竖向变形的限值规定不尽相同,为了研究大高差桥墩顶竖向变形的温度效应影响,以合福高铁巷坑大桥为例,对大高差桥墩在温度效应下的墩顶竖向变形进行现场测量,将测量和计算结果同各类规范进行对比,进一步对考虑温度效应时车辆通过桥梁结构时耦合响应进行仿真分析,结果表明:巷坑大桥桥墩顶竖向变形差超过规范限值,但车辆通行时的舒适性和安全性均能满足规范要求,车辆走行性偏于安全,合福高铁通车至今该桥一直运营正常。综上所述,现行规范对大跨度桥梁桥墩的变形指标要求偏严,特殊情况下无法满足规范要求时,建议参考公式,适当放松验收指标。本研究对突破规范限制,在大跨度桥梁铺设无砟轨道具有重要的意义。     

双向偏心受压下圆端形重力式桥墩台极限承载力的计算

在承载力极限状态计算中,需要解决双向偏心受压下铁路桥涵重力式桥墩台的承载力计算问题。在该极 限状态下,不考虑截面受拉区材料参与工作,按受压区为矩形应力图形的假定进行承载力计算。这种计算假定 对双向斜偏心受压情况下的圆端形截面的承载力计算是相当复杂的。为了简化计算,引入了一个类似于在容许 应力法计算中应力重分布系数的承载力折减系数,文中给出了利用图解法求解该承载力折减系数的原则和步 骤。通过多元回归分析,给出了一组简单、实用且能满足工程精度要求的圆端形重力式桥墩台极限承载力折减 系数实用计算公式,该组公式适用于目前铁路桥涵重力式墩台常用的设计范围。     

基坑开挖引起邻近高铁桥墩隆起变形实例分析

为了研究基坑开挖过程对邻近高铁桥墩竖向变形的影响,对2个邻近高铁桥墩的基坑工程实例进行实时自动化监测,在对施工内容与监测结果对应分析的基础上,采用基于叠加原理的薄层分层总和法编制高铁桥墩临近荷载竖向变形影响计算软件PIAS,对计算结果与监测数据进行对比验证。监测结果显示,由于基坑开挖的卸载效应,实例一基坑开挖引起既有高铁桥墩隆起变形1.12 mm,实例二基坑开挖引起既有高铁桥墩隆起变形3.10 mm;计算结果显示,实例一基坑开挖引起既有高铁桥墩隆起变形0.93 mm,实例二基坑开挖引起既有高铁桥墩隆起变形2.79 mm;计算值与监测值基本一致,表明高铁桥墩临近荷载竖向变形影响计算软件PIAS适用于基坑开挖过程对临近高铁桥墩隆起变形的影响计算。     

上海长江大桥桥墩纵向刚度研究

上海长江大桥预留轨道交通并铺设无缝线路,桥墩纵向刚度直接影响铜轨强度。通过3种不同铺设方案的综合比较,提出大桥引桥部分采用双固定墩设计,这样调节器铺设数量最少,对已完成施设的大桥改动也很小采用两种不同的计算方法对大桥每联钢轨附加应力逐一检算,结果可行。     

复杂艰险山区高速铁路桥梁设计技术

本文针对复杂艰险山区高速铁路桥梁设计中的主要技术问题,结合相关科学研究和实践经验,提出了高速铁路高墩大跨桥梁跨径范围和选型原则,提出了高烈度地震区桥梁设计和减隔震技术,提出了峡谷风环境下高速铁路行车安全保障技术。同时,对复杂艰险山区高速铁路桥梁设计中常见的高陡边坡防护、危岩落石防护以及泥石流综合治理等关键技术进行了总结,提出了相应的设计原则和解决方法,为复杂艰险山区高速铁路桥梁设计提供了重要的技术支撑。     

高墩水平温差对连续刚构桥上无缝线路的影响

为研究高墩水平温差对桥上无缝线路的影响,选取某高墩大跨连续刚构桥工程实例,基于梁轨相互作用原理,建立线桥墩一体化有限元模型,分析在水平纵向和横向温差作用下高墩大跨桥上无缝线路受力变形情况。结果表明:高墩纵向温差对连续刚构桥上无缝线路纵向受力影响较大,随着桥墩纵向温差的增大,桥上无缝线路受力逐渐增大;桥墩横向温差影响桥上无缝线路平顺性,当桥墩横向温差超过一定的限值时,连续刚构桥上无缝线路会出现长波不平顺超限;总结以上分析结果,建议在连续刚构桥上无缝线路设计检算中考虑高墩在水平温差作用下对桥上无缝线路的影响。     

轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响

轨道是限制铁路桥梁减隔震装置在地震中发挥耗能作用的一个可能因素。为了分析轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响,以高速铁路客运专线上两座采用不同减隔震装置的32m简支桥梁为对象,用非线性弹簧单元模拟道床的纵向位移阻力关系,建立地震作用下桥梁与轨道共同作用的线桥一体化计算模型,对其进行弹塑性地震响应分析。结果表明:轨道对铁路减隔震桥梁纵向自振频率的影响不可忽视,影响程度与道床阻力系数有关,随着道床阻力系数增加,结构的自振频率增大;轨道约束虽然对墩底的最大地震剪力影响不大,但对桥梁纵向地震位移和减隔震装置变形的影响出现增大和减小两种现象,设计时应考虑轨道约束产生的不利因素,适当提高相邻梁间的结构允许相对变形要求。     

纵连板式轨道在墩台位移作用下梁轨相互作用规律研究

针对简支梁和连续梁,建立整桥系统的计算模型,对墩台位移引起的作用力作用下桥上纵连板式无砟轨道的梁轨耦合作用规律进行分析研究。研究表明:墩台位移引起的作用力是纵连式无砟轨道梁轨相互作用较重要的附加作用力,建议受日照及风荷载影响较大的高墩桥设计中考虑墩台位移引起的作用力的影响;连续梁与简支梁桥墩向右位移时所受的外荷载大致相当,轨道及桥梁各部件所受附加力也大致相等,且桥墩纵向位移越大,各部件所受附加力越大;考虑桥梁伸缩及桥墩位移的共同作用时,轨道及桥梁各部件的受力与变形均较单因素作用时量值大,且连续梁上各部件的受力与变形较简支梁大;从梁体位移方向的比较来看,当桥墩位移与桥梁伸缩方向相同时,钢轨、轨道板、端刺的受力及轨道各部件的位移较大,而当桥墩位移与桥梁伸缩方向相反时,剪力齿槽、墩台、底座板所受纵向力较大;从荷载耦合方式来看,桥梁伸缩及桥墩位移两种荷载耦合时,轨道及桥梁各部件的受力与变形要小于两种荷载单独作用后将计算结果叠加的情况,主要是由于滑动层摩阻力等线路约束阻力的塑性极限造成的。     

铁路连续梁桥铅芯橡胶支座优化设计研究

基于最优化理论,以梁体顺桥向位移为约束条件,各墩底最大弯矩之和为目标函数,建立某3跨铁路连续梁桥铅芯橡胶支座(LRB)隔震体系优化设计模型。采用ANSYS中一阶优化方法,进行全桥铅芯橡胶支座动力控制参数优化设计研究。单条地震波输入优化分析表明:连续梁桥中墩和边墩LRB优化参数之间有明显差异,最大差距达42.18%。由于4组单条地震波激励下LRB参数优化解差距较大,进一步以4条地震波作为激励进行支座设计参数优化。结果表明:对于铁路连续梁桥,多条地震波激励下得到的目标函数最优解较单条地震波时更安全。故在实际桥梁减隔震设计中,减隔震支座参数宜采用多条地震波激励下得到的优化值,以确保连续梁桥结构在地震作用下的安全。