【博士】大型橋梁高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)抗震能力研究【2009】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院　　學(xué)位年度： 2009年　　高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)在我國(guó)大型橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)采用這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的大型橋梁結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力性能研究嚴(yán)重不足，設(shè)計(jì)人員仍舊采用小規(guī)模群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)大型高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)、抗震能力方面的研究和認(rèn)識(shí)存在不足。設(shè)計(jì)中通常只驗(yàn)算群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中受力最不利邊樁的抗震能力，缺乏對(duì)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體抗震能力的計(jì)算和分析，因而對(duì)地震下高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)和抗震能力缺乏了解和掌握。因此，開(kāi)展大型高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體抗震能力的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。　　本文主要完成的工作和得出的結(jié)論如下：　　(1)對(duì)高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力性能、結(jié)構(gòu)抗震的延性設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)易損部位的設(shè)計(jì)及控制方法、鋼纖維混凝土材料在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用等方面的已有研究成果進(jìn)行了總結(jié)和歸納，在閱讀和理解相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，擬定了本文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法?！　?2)研究了承臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)采用高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的大型橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：與厚度較大而能夠視為剛性體的承臺(tái)設(shè)計(jì)相比，高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中承臺(tái)的設(shè)計(jì)厚度較小而剛度不足時(shí)，結(jié)構(gòu)整體的抗震性能較差；當(dāng)承臺(tái)的剛度較大而可視為剛性體時(shí)，通過(guò)承臺(tái)的變厚度設(shè)計(jì)可以有效減輕承臺(tái)自身的質(zhì)量，提高群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的抗震性能；承臺(tái)吃水深度較小時(shí)，可以不考慮承臺(tái)．水體相互作用問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響；承臺(tái)吃水深度較大時(shí)，抗震計(jì)算中有必要計(jì)及承臺(tái)．水體相互作用問(wèn)題對(duì)樁基地震需求的影響?！　?3)以一座大跨斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了地震下主塔及高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)：對(duì)于縱向采用飄浮體系且主塔、主梁之間設(shè)有阻尼器進(jìn)行減震的大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)，地震下主梁結(jié)構(gòu)的慣性力荷載是通過(guò)斜拉索、阻尼器兩個(gè)路徑傳遞到主塔，同時(shí)速度型阻尼器是一個(gè)變剛度的連接構(gòu)件，導(dǎo)致在兩個(gè)力的傳遞路徑中主梁傳遞給主塔的荷載大小不滿(mǎn)足固定的比例關(guān)系?！　?4)對(duì)于像斜拉橋這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，靜力推倒分析中各種側(cè)向力分布模式都不能合理的代表地震下主塔及群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。然而，對(duì)于群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而言，承臺(tái)通?？梢砸暈閯傂泽w，推倒分析中各種側(cè)向力分布模式之間差異的實(shí)質(zhì)是承臺(tái)底截面剪力、彎矩的比例關(guān)系不同。因此，本文中將群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震能力與地震響應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)地震下承臺(tái)底截面的最大內(nèi)力響應(yīng)，確定群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推倒分析時(shí)采用的加載模式?！　?5)鋼護(hù)筒樁中，鋼護(hù)筒對(duì)樁身混凝土是否存在約束作用的問(wèn)題在工程界一直存在爭(zhēng)議，本文針對(duì)兩種不同的情況，即：鋼護(hù)筒對(duì)樁身混凝土具有約束作用、鋼護(hù)筒對(duì)樁身混凝土沒(méi)有約束作用，分別對(duì)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行了整體推倒分析，發(fā)現(xiàn)：考慮鋼護(hù)筒對(duì)樁身混凝土的約束效應(yīng)與不考慮的情況相比，群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的延性變形能力較好，結(jié)構(gòu)整體的最大側(cè)向抗力基本相同。　　(6)鋼護(hù)筒樁中，部分鋼材因?yàn)楦g而不能發(fā)揮結(jié)構(gòu)性作用。對(duì)于用鋼量相同的鋼護(hù)筒樁、普通鋼筋混凝土樁、鋼筋．鋼纖維混凝土樁組成的高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了推倒分析。結(jié)果表明，在考慮鋼護(hù)筒銹蝕的情況下，對(duì)于高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的最大側(cè)向抗力而言，鋼護(hù)筒樁最低、普通鋼筋混凝土樁最高，鋼筋．鋼纖維混凝土樁介于二者中間?！　?7)對(duì)無(wú)約束、箍筋約束的鋼纖維混凝土材料的受壓應(yīng)力．應(yīng)變?nèi)€(xiàn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼纖維對(duì)混凝土基體的被動(dòng)約束效應(yīng)，能夠減小材料的受壓應(yīng)力．應(yīng)變曲線(xiàn)中下降段的斜率，增強(qiáng)混凝土的延性、韌性和耗能能力。　　(8)采用拉桿．抗彎鋼板組合系統(tǒng)作為“土彈簧”模擬樁身周邊土體的作用，對(duì)于由普通混凝土模型樁、鋼纖維混凝土模型樁組成的高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究；對(duì)普通混凝土樁、鋼纖維混凝土樁群樁基礎(chǔ)的的破壞形態(tài)、力-位移滯回曲線(xiàn)、塑性鉸形成機(jī)制、位移延性、剛度特性、耗能能力等進(jìn)行了比較和分析。　　(9)采用LS-DYNA建立了高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的精細(xì)化實(shí)體有限元模型，研究了模型中模擬承臺(tái)的鋼板的變形對(duì)群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體初始剛度、各組成樁樁身受力的影響，結(jié)果表明：承臺(tái)的變形使得試驗(yàn)結(jié)果中群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的初始剛度較小，在垂直于墩頂水平荷載加載方向的同一排樁中，邊樁和中樁的樁頭截面內(nèi)力差異較大。　　(10)采用OPENSEES軟件對(duì)高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真和模擬，結(jié)果表明：在本文的四組高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)中，三批鋼纖維混凝土模型樁中主筋的損傷程度比在普通混凝土樁中嚴(yán)重，主筋的截面配筋率較低導(dǎo)致試驗(yàn)中主筋較早的破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果中未能體現(xiàn)鋼纖維對(duì)結(jié)構(gòu)延性、耗能能力的提高和改善作用?！　?11)假定擬靜力試驗(yàn)過(guò)程中主筋的損傷程度相同，對(duì)本文中的四批高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：樁身混凝土中摻入鋼纖維后，高樁群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度、延性和耗能能力顯著增強(qiáng)。　　

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