【博士】客運(yùn)專線圓端形橋墩的抗震性能研究【2008】

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　　學(xué)科專業(yè)：防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：北京交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2008年　　客運(yùn)專線以高速、安全、準(zhǔn)時(shí)、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(shè)客運(yùn)專線的新高潮?，F(xiàn)行鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在橋梁抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、地震作用計(jì)算方法、抗震設(shè)計(jì)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(duì)普通鐵路橋梁研究制定的，并不能直接適用于客運(yùn)專線橋梁的抗震設(shè)計(jì)，這是由客運(yùn)專線橋梁的質(zhì)量大、剛度大、采用延性設(shè)計(jì)及高耐久性等設(shè)計(jì)特點(diǎn)所決定的。我國雖對(duì)客運(yùn)專線設(shè)計(jì)進(jìn)行了多年的前期研究，并已具有建成秦沈客運(yùn)專線的成功經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)客運(yùn)專線橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、性能目標(biāo)、設(shè)計(jì)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(yàn)研究。因此，本文結(jié)合目前我國客運(yùn)專線抗震設(shè)計(jì)中存在的不足，就客運(yùn)專線低矮橋墩的墩頂反應(yīng)系數(shù)、橋墩的彈塑性分析、橋墩實(shí)用簡化延性抗震設(shè)計(jì)方法、橋墩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等問題進(jìn)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?fàn)顩r、國內(nèi)外高速鐵路的結(jié)構(gòu)形式，以及我國客運(yùn)專線設(shè)計(jì)中存在的問題等方面，綜合性地進(jìn)行了論述，提出了客運(yùn)專線橋梁抗震設(shè)計(jì)中存在的主要問題，并就某些亟需解決的問題進(jìn)行課題研究。　　(2)對(duì)客運(yùn)專線的橋梁來說，由于基礎(chǔ)均為群樁基礎(chǔ)，客運(yùn)專線的橋梁基礎(chǔ)不能按剛性地基來計(jì)算，必須考慮結(jié)構(gòu)與地基的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響?！　?duì)于剪跨比較小的低矮橋墩，建立了樁-土-結(jié)構(gòu)的實(shí)體單元計(jì)算模型；對(duì)于中等高度橋墩，通過對(duì)實(shí)體單元計(jì)算模型與梁單元計(jì)算模型的計(jì)算比較，認(rèn)為梁單元能滿足計(jì)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(jì)算簡化模型。選用了地基彈簧模擬土對(duì)樁基的實(shí)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(yùn)專線橋梁的靜力法抗震設(shè)計(jì)判定標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)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(lì)，考慮了不同的地基系數(shù)的影響，通過大量的彈塑性時(shí)程計(jì)算及數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)頻率在4．7～9．8Hz時(shí)，墩頂反應(yīng)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(jìn)行計(jì)算。建立了客運(yùn)專線剛性橋墩的計(jì)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(duì)象，對(duì)地基條件、地震波及跨度等影響橋梁彈塑性地震反應(yīng)特性的主要因素進(jìn)行了比較分析，給出了這些因素對(duì)橋梁反應(yīng)特性、屈服和破壞情況的影響規(guī)律；當(dāng)基礎(chǔ)先于橋墩屈服時(shí)，在滿足運(yùn)營要求條件下，選擇空心截面以降低橋墩的屈服強(qiáng)度。經(jīng)過對(duì)空心橋墩大量的分析研究，當(dāng)0．3≤D，／D≤0．7時(shí)，能夠使橋墩的屈服強(qiáng)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(chǔ)設(shè)計(jì)的不協(xié)調(diào)問題；對(duì)于橋墩先于基礎(chǔ)屈服的情況，提出了延性設(shè)計(jì)原則及構(gòu)造措施?！　?5)針對(duì)橋墩先于基礎(chǔ)屈服的情況，建立了這類橋墩的簡化延性抗震計(jì)算模型，用簡化計(jì)算方法來求出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特征參數(shù)，并與時(shí)程分析方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，證明該模型在墩高15m以下時(shí)具有足夠的工程抗震計(jì)算精度。　　(6)給出了客運(yùn)專線橋梁抗震設(shè)計(jì)的地震設(shè)防水準(zhǔn)、性能目標(biāo)，以及適用于客運(yùn)專線橋梁抗震設(shè)計(jì)的分析方法及設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)過程分為四個(gè)基本步驟：概念設(shè)計(jì)、常遇地震下強(qiáng)度設(shè)計(jì)、罕遇地震下的位移設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。通過一座橋梁的抗震設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了本文方法的具體操作過程和可行性?！　?

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