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《北京建筑大学》 2020年
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铁路桥梁中少筋桥墩抗震性能研究

温磊  
【摘要】:我国的铁路桥墩基本上采用了少筋混凝土重力式桥墩。这是因为我国铁路对运行梁体的位移控制要求很高,为了限制运行中和地震造成的位移,铁路桥梁的桥墩需要很大的刚性。而在地震作用下,较大的桥墩刚度使其往往发生的是脆性破坏,不能够达到规范中对于塑性设计的要求,针对于此,本文展开了相关研究。(1)利用ANSYS有限元软件建立了少筋桥墩精细化实体模型,采用墩顶低周往复加载的形式进行了数值拟静力分析,并将计算结果分别从极限承载力、屈服位移和滞回曲线三个方面与既有研究中的拟静力试验结果进行对比。结果表明,所建立的少筋桥墩精细化实体模型与拟静力试验结果较为吻合,验证了所建立数值模型的合理性。(2)以铁路桥梁设计通图中的少筋桥墩作为研究对象,基于已建立的少筋桥墩精细化模型,采用低周往复形式在墩顶进行拟静力加载,通过滞回曲线、骨架曲线以及混凝土单元开裂情况对多种配筋形式、剪跨比和配筋率水平的桥墩纵横桥向位移延性系数、破坏形态、耗能能力和刚度退化特性进行了深入分析;结果表明,桥墩纵、横桥向的在拟静力作用下的破坏形式相近,随着配筋率的增加,桥墩的表现由脆性破坏逐渐表现出塑性破坏特征,并在墩底出现塑性铰。由于桥墩横桥向的承载力更大,桥墩延性设计应当以纵桥向延性参数作为控制指标。(3)研究了不同配筋率、配箍率和剪跨比对于桥墩延性性能的影响,发现配筋率的大小对桥墩延性性能影响较大,剪跨比主要影响桥墩的屈服位移大小,而配箍率对桥墩延性性能基本没有影响。(4)以铁路桥梁设计通图中的少筋桥墩桥梁作为研究对象,基于非线性动力有限元分析平台OpenSEES(Open System for Earthquake Engineering Simulation),建立了全桥精细化模型,深入研究纵筋配筋率、墩高以及主梁跨径对铁路少筋桥墩桥梁动力特性的影响。结果表明,随着纵筋配筋率增大,全桥各阶周期小幅下降,但全桥的自振形态基本无变化;随着桥墩高度的增大,全桥各阶周期均显著延长,横桥向首阶振型有所提前,有效避开了规范设计加速度谱的平台段;随着主梁跨径的增大,全桥各阶周期均有所增大,但全桥的自振形态基本无变化。(5)基于已建立的全桥精细化模型,选取符合《铁路工程抗震设计规范》设计谱的7条远场地震记录为输入,从动力响应(墩底弯矩、剪力和墩顶位移)和耗能水平几个方面深入研究了多强度地震作用(多遇地震、设计地震和罕遇地震作用)下纵筋配筋率、墩高以及简支梁跨度对少筋桥墩桥梁地震响应特性的影响。结果表明,顺桥向地震作用下少筋桥墩墩底的非线性状态较横桥向地震作用下更为显著;多强度地震作用下提升纵筋配筋率均可显著减弱桥墩底部的非线性状态以及弯矩曲率滞回曲线的捏拢效应,有效提升桥墩的耗能能力;多强度地震作用下高度较低(如5m)的桥墩由于剪跨比较小,而高度较高(如30m)的桥墩由于桥梁主要自振周期避开了规范设计谱的平台段,地震弯矩响应均较小,墩底滞回关系呈现为线性或较弱的非线性状态,桥墩高度为10~25m的桥墩则呈现出相对较强的非线性状态;多强度地震作用下主梁跨径较大的桥梁桥墩均产生了更大的地震响应。
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