多年冻土退化对铁路混凝土梁桥承载能力的影响分析与安全性研究

论文摘要

由于全球性气候变暖以及运营以来人类活动的干扰,使得多年冻土发生一定程度的退化。而冻土上限作为多年冻土的重要参数指标,它的变化对该类地区桥梁基础的受力性能有很大影响。为探讨冻土上限变化对桥梁水平受力性能的影响及在冻土上限退化下桥梁的可靠性,本文以青藏铁路多年冻土区钢筋混凝土多跨简支梁桥为背景,采用有限元结构分析软件,建立桥墩-承台-桩基的基本模型,探讨在铁路运营荷载作用下,不同土质、不同墩高桥梁的基础随着冻土上限从设计值退化1m、2m、3m和退化至弯矩零点4/αm时,桩基中桩身的内力、变位的变化规律,进而探讨在冻土上限退化不同程度下既有铁路桥梁结构的可靠性。除此之外,还对目前采用的客货共线设计活载模式ZKH的安全性进行讨论。通过上述问题对不同方案的计算结果分析得出以下几点结论：（1）通过对青藏铁路穿越地区的资料调查,确定了冻土上限分析的方案。文中对单一土层、不同土质类型中的桥墩-承台-桩基有限元模型分析,主要对在土质为碎石土、粉土、粉质粘土地基土中的桩基进行讨论,得到随着冻土上限的退化到不同程度下桥梁基础桩身内力和变位的变化规律。当冻土上限退化时,各种土层中的桩身的内力和变位都增大,且内力最大值位置下移,地面处的变位值也在增大；其中以粉质粘土地基的冻土上限变化对桥梁桩基的影响最大。（2）通过对同一土质中不同墩高的桥梁基础模型进行有限元分析,探讨墩高不同的基础受冻土上限退化的影响规律。结果表明：桥墩的墩高越高,桥梁随着冻土上限退化而导致破坏的可能性越大。（3）通过在中-活载作用下铁路桥梁基础构件随冻土上限退化不同程度的相关参数分析,探讨既有桥梁结构参数的可靠性。计算结果表明：在冻土上限为设计位置时,桥梁结构各构件的可靠度为最大；随着冻土上限的退化,构件的各项参数值均有所增大,其构件参数指标的可靠度在不同程度的降低。其中以基底应力、桩身应力、基础沉降可靠度降低的幅度较大。说明冻土上限退化,对于桥梁桩基础的承载性能相应地减弱了,但在讨论的冻土上限退化范围,桥梁的各项参数指标均能够满足规范要求。（4）通过对既有桥梁的现状调查结果分析,按照体系可靠度的计算原理,对于桥梁各构件的串并联关系,建立可靠度计算模型,采用可靠度区间估计法,对既有桥梁结构体系可靠度进行分析。结果表明：随着多年冻土上限的退化,桥梁结构整体的体系可靠性指标值逐渐降低,就文中讨论的对冻土上限退化范围,既有桥梁的可靠性可以满足使用要求。说明冻土上限退化对既有铁路桥梁有一定影响,在一定程度上应该引起相关管理部门的足够重视。（5）通过采用ZKH活载和中-活载两种模式的荷载作用下的对桥梁基础的计算分析表明：ZKH模式基础各指标的安全储备相对中-活载模式有所降低,说明如果采用ZKH活载模式进行桥梁设计比中-活载模式的安全储备要大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及必要性
• 1.1.1 多年冻土
• 1.1.2 工程特点
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 多年冻土区桥梁病害
• 1.2.2 桥梁的可靠性评价
• 1.3 论文主要工作
• 2 可靠度研究方法
• 2.1 直接评价法
• 2.2 一次二阶矩法
• 2.3 JC法
• 2.4 有限元模拟法
• 2.5 几种方法的对比
• 3 青藏铁路多年冻土区桥梁
• 3.1 沿线自然地理环境
• 3.1.1 地貌与地质
• 3.1.2 气候与植被
• 3.1.3 温度变化
• 3.2 沿线多年冻土分布
• 3.3 冻土上限变化
• 3.4 多年冻土区的桥梁
• 3.5 桥梁现状调查与分析
• 3.5.1 桥梁的现状调查
• 3.5.2 病害的表现形式
• 4. 冻土上限变化对桥梁承载性能影响分析
• 4.1. 分析方案
• 4.2 分析模型
• 4.3 分析荷载
• 4.4 结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 桥梁结构可靠性评估
• 5.1 结构可靠性基本理论
• 5.1.1 结构可靠性基本概念
• 5.1.2 结构可靠度指标
• 5.1.3 基本结构体系
• 5.1.4 结构体系可靠度基本方法
• 5.2 桥梁结构可靠性评估模型
• 5.2.1 桥梁结构的可靠性评估准则
• 5.2.2 桥梁结构的可靠性评估模型
• 5.3 实桥可靠性分析
• 5.3.1 工程背景
• 5.3.2 评估参数
• 5.3.3 上部结构的可靠性
• 5.3.4 传力结构的可靠性
• 5.3.5 下部结构的可靠性
• 5.3.6 桥梁结构体系可靠度
• 5.4 中-活载与ZKH活载模式的对比分析
• 5.4.1 活载形式
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 有待解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果