预制拼装铁路重力式桥墩的抗震性能研究

为适应中国铁路建设向高烈度震区快速发展的需要,解决传统预制拼装桥墩墩柱及承台连接位置薄弱等问题,提出一种灌浆波纹管连接的模块化预制拼装桥墩体系,通过设置承台与墩身塑性区域共同浇筑及墩底局部无黏结段增强桥墩的抗震性能。制作1个局部无黏结整体现浇铁路重力式桥墩模型和1个局部无黏结预制拼装铁路重力式桥墩模型开展拟静力试验,并结合有限元分析,进行预制拼装铁路重力式桥墩抗震性能研究。结果表明：局部无黏结预制拼装桥墩整体连接性能稳定,可通过墩底塑性区域破坏与墩身及节段间的摇摆实现共同消能,其破坏模式表现为墩底塑性区域的弯曲破坏,未发生破坏位置转移现象;局部无黏结预制拼装桥墩等效塑性区域高度比整体现浇桥墩降低,抗侧向水平承载力与耗能能力提升显著,位移延性能力良好,可适应更大加载位移,最终累积耗能增长64.3%;结构接缝位置连接稳定可靠,同等加载位移下等效刚度基本一致,抗震性能得到明显提高;预制节段划分对预制拼装铁路重力式桥墩抗震性能的影响不大。     

2段式预制拼装预应力混凝土桥墩的抗震性能

以某拟建轨道交通桥墩为原型,按照相似比1:3进行整体现浇桥墩RC和预应力预制拼装桥墩PCS的设计。采用拟静力试验方法,一方面研究原型桥墩的正常使用性能和抗震性能,另一方面重点研究按照等效抗震性能设计原则设计的预制拼装桥墩的正常使用性能和抗震性能。研究结果表明:PCS的开裂荷载是RC桥墩的1.5倍。预应力混凝土节段拼装桥墩在地震作用下,墩柱整体损伤较小,主要是墩底附近混凝土发生开裂和压碎。在相同最大偏移率6%下,PCS的残余位移只有整体现浇试件的44%,PCS试件的耗能能力只有RC试件的1/3。预应力筋的初始预应力保持在屈服强度的30%,可以使墩柱在侧向偏移率达到6%时预应力筋也不会断裂。节段拼装预应力桥墩PCS可以取得与普通钢筋混凝土结构一样的荷载位移骨架曲线,具有较小的残余变形和良好的自复位能力,但是耗能能力差。     

高速铁路桥梁预制节段拼装桥墩抗震性能分析

为研究预制节段拼装桥墩在高烈度区的应用,依托某高速铁路桥墩,分别建立现浇墩(MRC)和预制节段拼装桥墩(PSBC)有限元模型并进行试验验证。通过增量动力分析,对比分析MRC和PSBC抗震性能,研究在设计地震、罕遇地震及极大地震作用下,预制节段拼装桥墩耗能钢筋配筋率、混凝土强度和预应力筋布置位置等主要设计参数对其墩顶位移、残余位移、接缝张开相对位移和弯矩曲率等抗震指标的影响。研究结果表明：MRC在各地震动作用下的弯矩-曲率滞回曲线较为饱满,地震波能量较大时,PSBC滞回曲线的捏缩现象显著,与MRC区别较大,以极大地震动为例,MRC墩底最大弯矩约比PSBC大15%,最大曲率约为PSBC的3倍。在地震作用下,PSBC墩顶位移大于MRC,残余位移、弯矩和曲率小于MRC。增大耗能钢筋配筋率、提高混凝土强度和分散布置预应力筋,均可有效减小PSBC墩顶位移、残余位移和墩底接缝张开相对位移。提高混凝土强度对残余位移影响较大,对墩顶位移、墩底接缝张开相对位移及弯矩影响较小。在设计地震作用下,各抗震指标变化不明显。罕遇地震作用下,耗能钢筋配筋率由1%提高到1.68%,墩顶位移、残余位移和接缝张开相对位移分...     

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。     

无黏结预应力带耗能钢筋预制节段拼装桥墩抗震性能研究

运用美国太平洋地震工程研究中心开发的OPENSEES程序,采用纤维梁柱单元建立无黏结预应力带耗能钢筋预制节段拼装桥墩模型,进行拟静力加载过程分析,研究预应力度、轴压比、普通钢筋和预应力筋配筋率等参数对墩柱抗震性能的影响.结果表明:随着预应力度的提高,桥墩屈服力提高,但对水平承载力影响较小;预应力和上部结构恒载总的轴压比为20%～30%时,桥墩具有较高的水平承载力和等效阻尼比;预应力筋配筋率为0.20%～0.50%时,桥墩具有较稳定的水平承载力和耗能能力,增大预应力筋配筋率,桥墩等效阻尼比降低;提高普通钢筋配筋率时,桥墩的屈服力、水平承载力、能量耗散和等效阻尼比均有显著提高,但残余位移增大.地震响应分析结果表明,增设耗能钢筋能提高节段拼装桥墩水平承载力;地震作用下桥墩破坏时,墩底剪力约为拟静力试验水平承载力的70%～90%,墩顶位移约为拟静力试验破坏位移的50%.     

预制拼装桥墩在铁路桥梁中的应用北大核心

预制拼装桥梁施工技术有利于桥梁工程快速施工。为了研究预制拼装桥墩受力性能,在和若铁路开展了灌浆套筒连接、承插式连接和预应力连接三种连接形式的预制拼装桥墩现场实尺拟静力试验。通过冲击振动试验确定了试验墩动态特性参数,并与建模计算固有频率进行对比分析;通过拟静力试验,得到了试验墩混凝土开裂强度、钢筋屈服强度及荷载-位移曲线,分析了预制拼装桥墩受力性能和破坏形式。结果表明:灌浆套筒连接和承插式连接(有后浇填芯混凝土)的墩柱由于存在刚度突变,在交界面有较多裂缝;三种连接方式试验墩在6~9度地震工况下能满足受力要求。研究结果可为优化拼装式桥墩设计提供参考依据。     

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。     

罕遇地震作用下高速铁路简支梁桥抗震性能分析

简支梁桥在高速铁路中占到了极高的比例,其抗震性能值得深入研究。结合西部高速铁路中典型的简支梁桥结构形式,建立不同墩高的高速铁路多跨简支梁桥的全桥空间分析模型,在模型中采用纤维单元模拟桥墩,并对固定支座锚固螺栓在罕遇地震作用下可能被剪断的力学特性予以适当的模拟,采用非线性时程方法分析高烈度地震区内该类桥梁在罕遇地震作用下的弹塑性地震响应,讨论该桥的损伤模式。分析结果表明:相比纵桥向地震作用,墩高20 m以内的高速铁路大跨度简支梁桥在横桥向地震作用下的桥墩损伤程度更大;整体看来桥墩具有较好的抗震性能,而合理控制支座锚固螺栓被剪断后主梁所产生的较大位移将成为铁路简支梁桥抗震设计中的重点。     

罕遇地震下城际铁路连续梁桥延性抗震设计

研究目的:罕遇地震作用下,城际铁路桥梁结构可能进入到弹塑性工作状态,对城际铁路桥梁结构进行弹塑性地震响应分析和延性抗震设计具有重要的工程价值和研究意义。结合大连市金州新区至普湾新区城际铁路工程的设计实例,基于纤维梁柱单元模型的基本原理,建立主桥(25+30+25)m预应力混凝土连续箱梁桥的弹塑性分析模型,采用傅里叶变换和反复迭代法将铁路规范反应谱拟合为地震动时程曲线,进行罕遇地震下桥梁的地震响应分析及桥墩延性抗震设计。研究结论:结果表明:地震激励下,仅制动墩进入到塑性状态,延性系数最大值为3.02,小于规范给定值4.8,抗震验算满足规范要求。本文给出的桥梁弹塑性分析方法和延性抗震设计结果为城际铁路连续梁桥的延性抗震设计提供了一种实用手段和依据。     

呼准铁路黄河特大桥引桥T形刚构桥设计研究

依托呼准铁路大路黄河特大桥北引桥2×52 m预应力混凝土T形刚构桥设计为背景,结合桥址实际情况,利用有限元程序着重对关键技术:引桥桥跨方案研究、结构静力特性、结构自振特性及结构罕遇地震下弹塑性抗震性能进行分析。通过研究得到以下结论:北引桥孔跨设计方案采用3联2×52 m T形刚构桥方案经济合理;结构构造及钢束布置形式合理;为保证墩底塑性铰区域的可靠性,应重视墩底的抗剪强度验算和箍筋配置;该桥结构强度、刚度及抗震性能等指标均符合规范规定,满足铁路运行安全要求。     

城际铁路连续梁桥抗震计算方法对比分析

研究目的:城际铁路桥梁在多遇和罕遇地震作用下的设计检算方法选择,对于桥梁结构的安全性具有重要作用。为深入研究城际铁路连续梁桥的不同抗震计算方法的特点,并确定在不同计算阶段的方法采用,本文以大连市金州新区至普湾新区的一座城际铁路预应力混凝土连续梁为例,首先介绍铁路规范简化算法、反应谱法和弹性、弹塑性时程分析法的计算流程,然后运用三种方法分别对该连续梁桥进行多遇地震和罕遇地震作用下响应分析,并进一步采用简化算法和弹塑性时程分析法计算罕遇地震下的延性系数,对比三种方法的墩顶位移、墩底弯矩和墩底剪力的计算结果。研究结论:(1)对于连续梁桥,多遇纵向地震计算采用三种方法差异不大;(2)多遇横向地震计算应采用反应谱法或时程分析法,采用简化算法偏危险;(3)罕遇地震作用计算应采用弹塑性时程分析法,更为经济合理;(4)罕见地震作用计算采用简化算法或反应谱法结果失真,会严重放大墩底弯矩,增加配筋量;(5)本研究成果在铁路连续梁桥的抗震设计领域具有一定的指导和借鉴意义。     

铁路圆端形空心墩振动台试验研究

研究目的:圆端形空心高墩的试验研究对于铁路桥梁抗震设计理论的发展至关重要,因此本文以配箍率为设计变量,设计3个缩尺比为1/6的圆端形截面空心高墩试件,通过大型振动台试验结果的对比分析,研究圆端形铁路空心高墩的抗震性能,分析多遇、设计和罕遇地震下空心墩的开裂行为、加速度和位移反应、位移延性系数。研究结论:(1)试验桥墩均以弯曲破坏为主,水平向裂缝遍布墩身,侧向斜裂缝不明显;(2)墩底实心与空心过渡段截面为受力最不利位置,在抗震构造设计中应尤其注意;(3)加大箍筋用量可以改善桥墩位移延性,提高桥墩抗震能力;(4)本研究成果可应用于铁路桥墩抗震设计及方法研究领域。     

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。     

非规则铁路连续梁桥抗震体系优化

从非规则铁路连续梁桥各桥墩协同抗震的角度,引入墩底摇摆隔震及支座减隔震,以1座(60+100+60)m连续梁桥为例,建立全桥动力分析模型进行地震反应分析,研究具有中等高度(20~30m)实心桥墩的非规则铁路连续梁桥采用摇摆隔震的适用性,以及全桥采用支座减隔震时的桥墩优化配筋准则。结果表明:采用摇摆隔震时,摇摆墩墩底恒载轴力大,提离位移敏感性高,地震作用下墩顶位移可控制在较小的范围且提离后墩底弯矩变化稳定,易随其余各墩协同抗震,经抗震性能验算确定摇摆墩配筋率为0.6%;采用支座减隔震时,桥墩本身地震反应贡献率最高可达71%,桥墩惯性力主控墩底内力,以地震作用下各墩同步保持弹性为原则,优化后各墩配筋率依次为0.7%,0.3%,0.5%和0.7%。以上2种优化均可使非规则铁路连续梁桥达到"大震不坏"的设防水平。     

贵广铁路东平水道特大桥抗震设计研究

东平水道特大桥主桥双线铁路(85.75+286+85.75)m钢桁架拱桥,为国内首座该类型铁路桥梁。桥位处抗震设防烈度为7度,主桥的地震设防为设计关键。建立主桥三维有限元抗震模型,详细研究在33号活动墩墩顶不设置或设置液体黏滞阻尼器装置对主桥的抗震影响效果,采用反应谱和时程两种分析方法,对抗震分析结果进行比较。结果表明:(1)地震反应不控制钢桁架拱桥和桥墩身结构设计,仅控制桩基础设计;(2)33号活动墩墩梁间设置纵向减隔震液体黏滞阻尼器,对32号固定墩纵向抗震响应影响不大,效果不明显;(3)给出的最小配筋率均能满足各桥墩桩基础抗震验算及预期的抗震要求。     

金水沟特大桥弹塑性抗震分析

为了深入了解高墩大跨预应力混凝土刚构连续梁桥在罕遇地震下结构的反应特征,利用Midas/Civil软件,混凝土和钢筋分别采用Mander本构关系和修正梅内戈托与平托本构关系,建立结构的纤维模型,对金水沟特大桥进行罕遇地震下的弹塑性抗震分析。分析结果表明,纤维模型可以有效模拟结构地震下的反应,在罕遇地震下的强度与变形均满足规范,满足"大震不倒"的抗震设防要求,并且还有一定的安全储备;对于金水沟这类高墩大跨刚构连续梁桥,横桥向墩底为控制截面,顺桥向连续梁墩墩底、刚构墩的墩顶与墩底均为控制截面,并且结构顺桥向的地震力较横桥向更为控制结构设计。     

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。     

高速铁路多跨长联矮塔斜拉桥减隔震设计研究

多跨长联连续梁结构存在固定墩地震力大、延性部位震后不易恢复等问题,在高烈度震区抗震设计存在困难。为了解决高速铁路多跨长联矮塔斜拉桥的抗震设计问题,以某(65.65+8×110+65.65) m单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥为研究对象,采用非线性时程积分方法,对单固定墩、刚构连续梁和摩擦摆支座隔震3种不同的抗震体系方案进行分析比选。研究结果表明,采用摩擦摆支座隔震体系方案优势明显,在地震作用下,与单固墩体系相比,桥墩横桥向墩底弯矩普遍减小70%以上,固定墩纵桥向墩底弯矩减小约80%;进一步通过摩擦摆隔震支座参数分析,确定了合适的支座参数,获得较好的支座变形量、墩顶剪力,减隔震效果明显。因此,在桥墩剪跨比小、下部结构刚度大的情况下,设置摩擦摆隔震支座后,可显著减小地震时下部结构的地震响应,使各个桥墩受力均匀,同时通过合理的支座设计可满足大震位移需求,并具有足够的自复位能力。     

连续刚构桥地震反应分析

研究目的：为检验双线连续刚构铁路桥在多遇地震和罕遇地震下的抗震性能，参照《铁路工程抗震设计规范》要求，对连续刚构桥进行自振特性分析、多遇地震下的弹性地震反应分析和罕遇地震下的弹塑性地震反应分析。分析过程也可作为高墩铁路桥地震反应分析的一种方法。研究结论：通过自振特性分析，得到该桥的主要自振周期与振型。弹性地震反应分析包括反应谱分析和弹性时程分析，根据分析结果，采用容许应力法对桥墩截面进行抗弯验算。弹塑性地震反应则首先采用纤维模型进行桥墩截面的弯矩一曲率分析，得到截面弹塑性弯曲能力曲线，将其转化为等效的折线模型，作为桥墩相应位置的等效分布塑性铰弯曲特性，进行弹塑性动力分析，得到桥墩截面的弯矩一曲率滞回曲线，从而判定该桥在罕遇地震作用下的抗震性能。分析结果表明该桥满足规范“小震不坏，大震不倒”的抗震设防要求。     

熔断机制在摇摆桥墩连续刚构桥中的应用

研究目的:为了提高连续刚构桥的抗震能力,通过在桥墩墩底横桥向增加一对钢筋混凝土构件(称之为"保险丝"),提出一种具有熔断机制的摇摆桥墩连续刚构桥新型结构体系。研究结论:(1)通过对该结构体系与传统墩底固结结构体系在多遇地震、设计地震和罕遇地震作用下,结构地震需求、桥墩损伤情况的对比,发现该新型结构体系具有良好的抗震性能;(2)通过研究"保险丝"的混凝土破坏和钢筋滞回曲线的情况,说明在强震作用下"保险丝"发生破坏(称之为熔断),其耗能作用和熔断后桥墩摇摆都减少了输入到结构中的地震能量,起到了很好的减震效果,使得桥梁在多遇地震作用下几乎不发生损伤,在设计地震和罕遇地震作用下把损伤程度降到最低、损伤范围减到最小;(3)研究成果对提高强震作用下桥梁的抗震性能具有指导意义。