【博士】客運專線圓端形橋墩的抗震性能研究【2008】

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　　學科專業(yè)：防災減災及防護工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：北京交通大學　　學位年度： 2008年　　客運專線以高速、安全、準時、方便、舒適的綜合優(yōu)勢在世界得到了廣泛發(fā)展，我國鐵路也掀起了建設客運專線的新高潮?，F(xiàn)行鐵路抗震設計規(guī)范在橋梁抗震的設防標準、地震作用計算方法、抗震設計方法及抗震構(gòu)造措施等方面，都比舊規(guī)范大大提高，但是該規(guī)范是針對普通鐵路橋梁研究制定的，并不能直接適用于客運專線橋梁的抗震設計，這是由客運專線橋梁的質(zhì)量大、剛度大、采用延性設計及高耐久性等設計特點所決定的。我國雖對客運專線設計進行了多年的前期研究，并已具有建成秦沈客運專線的成功經(jīng)驗，但對客運專線橋梁的抗震設防標準、性能目標、設計方法以及抗震性能等關(guān)鍵問題仍缺乏系統(tǒng)的理論和試驗研究。因此，本文結(jié)合目前我國客運專線抗震設計中存在的不足，就客運專線低矮橋墩的墩頂反應系數(shù)、橋墩的彈塑性分析、橋墩實用簡化延性抗震設計方法、橋墩抗震設防標準等問題進行了系統(tǒng)研究。主要研究工作如下：　　(1)介紹了本課題的選題背景和意義，從國內(nèi)外高速鐵路的發(fā)展狀況、國內(nèi)外高速鐵路的結(jié)構(gòu)形式，以及我國客運專線設計中存在的問題等方面，綜合性地進行了論述，提出了客運專線橋梁抗震設計中存在的主要問題，并就某些亟需解決的問題進行課題研究。　　(2)對客運專線的橋梁來說，由于基礎均為群樁基礎，客運專線的橋梁基礎不能按剛性地基來計算，必須考慮結(jié)構(gòu)與地基的相互作用對結(jié)構(gòu)地震反應的影響。　　對于剪跨比較小的低矮橋墩，建立了樁-土-結(jié)構(gòu)的實體單元計算模型；對于中等高度橋墩，通過對實體單元計算模型與梁單元計算模型的計算比較，認為梁單元能滿足計算精度，且能大大降低工作量，所以建立了樁一土一結(jié)構(gòu)的二維梁單元計算簡化模型。選用了地基彈簧模擬土對樁基的實際約束功能；模型中考慮了土的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、地基系數(shù)等影響因素?！　?3)提出適合客運專線橋梁的靜力法抗震設計判定標準。本文以高度在4m以下剪跨比較小的圓端形低矮墩為研究對象，梁跨度為20m、24m、32m，選取I、II、III、Ⅳ類場地各40條典型的地震波作為激勵，考慮了不同的地基系數(shù)的影響，通過大量的彈塑性時程計算及數(shù)理統(tǒng)計分析，當頻率在4．7～9．8Hz時，墩頂反應系數(shù)在1．o~1．2之間，變化不大，可以視為剛體考慮，直接按靜力法進行計算。建立了客運專線剛性橋墩的計算簡化模型，并通過算例證明了該方法的精確性?！　?4)以4-20m中等高度的圓端形橋墩為研究對象，對地基條件、地震波及跨度等影響橋梁彈塑性地震反應特性的主要因素進行了比較分析，給出了這些因素對橋梁反應特性、屈服和破壞情況的影響規(guī)律；當基礎先于橋墩屈服時，在滿足運營要求條件下，選擇空心截面以降低橋墩的屈服強度。經(jīng)過對空心橋墩大量的分析研究，當0．3≤D，／D≤0．7時，能夠使橋墩的屈服強度降低，保證塑性鉸出現(xiàn)在橋墩底部，樁基不屈服，解決了墩身和基礎設計的不協(xié)調(diào)問題；對于橋墩先于基礎屈服的情況，提出了延性設計原則及構(gòu)造措施?！　?5)針對橋墩先于基礎屈服的情況，建立了這類橋墩的簡化延性抗震計算模型，用簡化計算方法來求出結(jié)構(gòu)地震反應特征參數(shù)，并與時程分析方法計算結(jié)果進行比較，證明該模型在墩高15m以下時具有足夠的工程抗震計算精度?！　?6)給出了客運專線橋梁抗震設計的地震設防水準、性能目標，以及適用于客運專線橋梁抗震設計的分析方法及設計流程。設計過程分為四個基本步驟：概念設計、常遇地震下強度設計、罕遇地震下的位移設計和抗震構(gòu)造措施設計。通過一座橋梁的抗震設計實例，給出了本文方法的具體操作過程和可行性。　　

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