客运专线圆端形桥墩的抗震性能研究

论文摘要

客运专线以高速、安全、准时、方便、舒适的综合优势在世界得到了广泛发展,我国铁路也掀起了建设客运专线的新高潮。现行铁路抗震设计规范在桥梁抗震的设防标准、地震作用计算方法、抗震设计方法及抗震构造措施等方面,都比旧规范大大提高,但是该规范是针对普通铁路桥梁研究制定的,并不能直接适用于客运专线桥梁的抗震设计,这是由客运专线桥梁的质量大、刚度大、采用延性设计及高耐久性等设计特点所决定的。我国虽对客运专线设计进行了多年的前期研究,并已具有建成秦沈客运专线的成功经验,但对客运专线桥梁的抗震设防标准、性能目标、设计方法以及抗震性能等关键问题仍缺乏系统的理论和试验研究。因此,本文结合目前我国客运专线抗震设计中存在的不足,就客运专线低矮桥墩的墩顶反应系数、桥墩的弹塑性分析、桥墩实用简化延性抗震设计方法、桥墩抗震设防标准等问题进行了系统研究。主要研究工作如下:（1）介绍了本课题的选题背景和意义,从国内外高速铁路的发展状况、国内外高速铁路的结构形式,以及我国客运专线设计中存在的问题等方面,综合性地进行了论述,提出了客运专线桥梁抗震设计中存在的主要问题,并就某些亟需解决的问题进行课题研究。（2）对客运专线的桥梁来说,由于基础均为群桩基础,客运专线的桥梁基础不能按刚性地基来计算,必须考虑结构与地基的相互作用对结构地震反应的影响。对于剪跨比较小的低矮桥墩,建立了桩-土-结构的实体单元计算模型;对于中等高度桥墩,通过对实体单元计算模型与梁单元计算模型的计算比较,认为梁单元能满足计算精度,且能大大降低工作量,所以建立了桩-土-结构的二维梁单元计算简化模型。选用了地基弹簧模拟土对桩基的实际约束功能;模型中考虑了土的附加质量、阻尼系数、地基系数等影响因素。（3）提出适合客运专线桥梁的静力法抗震设计判定标准。本文以高度在4m以下剪跨比较小的圆端形低矮墩为研究对象,梁跨度为20m、24m、32m,选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地各40条典型的地震波作为激励,考虑了不同的地基系数的影响,通过大量的弹塑性时程计算及数理统计分析,当频率在4.7～9.8Hz时,墩顶反应系数在1.0～1.2之间,变化不大,可以视为刚体考虑,直接按静力法进行计算。建立了客运专线刚性桥墩的计算简化模型,并通过算例证明了该方法的精确性。（4）以4～20m中等高度的圆端形桥墩为研究对象,对地基条件、地震波及跨度等影响桥梁弹塑性地震反应特性的主要因素进行了比较分析,给出了这些因素对桥梁反应特性、屈服和破坏情况的影响规律;当基础先于桥墩屈服时,在满足运营要求条件下,选择空心截面以降低桥墩的屈服强度。经过对空心桥墩大量的分析研究,当0.3≤Di/D≤0.7时,能够使桥墩的屈服强度降低,保证塑性铰出现在桥墩底部,桩基不屈服,解决了墩身和基础设计的不协调问题;对于桥墩先于基础屈服的情况,提出了延性设计原则及构造措施。（5）针对桥墩先于基础屈服的情况,建立了这类桥墩的简化延性抗震计算模型,用简化计算方法来求出结构地震反应特征参数,并与时程分析方法计算结果进行比较,证明该模型在墩高15m以下时具有足够的工程抗震计算精度。（6）给出了客运专线桥梁抗震设计的地震设防水准、性能目标,以及适用于客运专线桥梁抗震设计的分析方法及设计流程。设计过程分为四个基本步骤:概念设计、常遇地震下强度设计、罕遇地震下的位移设计和抗震构造措施设计。通过一座桥梁的抗震设计实例,给出了本文方法的具体操作过程和可行性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外高速铁路桥梁结构形式
• 1.2.1 国外高速铁路桥梁结构形式
• 1.2.2 国内高速铁路桥梁结构形式
• 1.3 客运专线桥梁抗震设计存在的问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 客运专线桥墩的分析模型
• 2.1 引言
• 2.2 客运专线桥墩-桩-土相互作用
• 2.3 客运专线桥墩的分析模型
• 2.3.1 桩基础
• 2.3.2 地基约束的模拟
• 2.3.3 地基土的附加质量
• 2.3.4 结构阻尼矩阵的处理
• 2.4 钢筋混凝土桥墩的恢复力模型
• 2.5 非线性地震反应时程分析方法
• 2.5.1 Newmark-β法
• 2.5.2 Newmark-β法的计算机实施过程
• 2.6 本章小结
• 第三章 低矮桥墩动力放大效应的研究
• 3.1 引言
• 3.2 低矮桥墩的地震动反应分析
• 3.3 理论分析模型
• 3.3.1 混凝土本构关系
• 3.3.2 钢筋的本构关系
• 3.3.3 混凝土破坏准则和屈服准则
• 3.3.4 钢筋的屈服强化准则
• 3.4 客运专线桥墩的地震反应
• 3.4.1 地震波的选取原则
• 3.4.2 地震动力放大效应的计算
• 3.5 简化模型及算例分析
• 3.5.1 计算简化模型
• 3.5.2 算例分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 客运专线桥墩的弹塑性分析
• 4.1 引言
• 4.2 桥墩的地震反应分析
• 4.3 理论分析模型
• 4.3.1 材料本构关系
• 4.3.2 弯矩-曲率关系
• 4.3.3 屈服曲率和极限曲率的定义
• 4.3.4 塑性铰的长度
• 4.4 桥墩的地震反应特性
• 4.4.1 不同地基条件时的反应特性
• 4.4.2 输入不同地震激励时的反应特性
• 4.4.3 不同跨度时的反应特性
• 4.4.4 小结
• 4.5 客运专线桥墩的失效模式
• 4.5.1 桥墩屈服截面的位置
• 4.5.2 桥墩失效判别准则
• 4.6 降低桥墩屈服弯矩的措施
• 4.6.1 圆端形空心桥墩的延性分析
• 4.6.2 屈服弯矩降低措施
• 4.7 关于延性设计的基本要求
• 4.7.1 延性设计的基本原则
• 4.7.2 延性桥梁的抗震构造设计
• 4.7.3 客运专线桥墩 T-Headed 钢筋建议
• 4.8 本章结论
• 第五章 客运专线桥墩简化延性抗震设计方法
• 5.1 引言
• 5.2 客运专线简化分析模型的建立与参数计算
• 1、M₂'>5.2.1 等效集中质量 M₁、M₂
• 5.2.2 地基等效刚度
• B 的计算'>5.2.3 K_B的计算
• 5.3 运动方程的等效线性化
• 5.3.1 等效线性化方法
• 5.3.2 客运专线等效线性化方法
• 5.4 时程分析法与简化方法验算实例
• 5.5 本章小结
• 第六章 客运专线桥梁抗震设计方法探讨
• 6.1 引言
• 6.2 地震危险性分析和重现期
• 6.2.1 地震危险性分析
• 6.2.2 重现期
• 6.3 客运专线桥梁抗震设防标准
• 6.4 客运专线桥梁抗震设计方法
• 6.4.1 抗震设计方法
• 6.4.2 抗震分析方法
• 6.4.3 设计流程
• 6.5 客运专线桥梁抗震分析实例
• 6.5.1 工程概况
• 6.5.2 设计过程
• 6.6 本章结论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要研究结论
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录 A 典型强震记录
• 作者简历
• 学位论文数据集