铁路桩基础桥墩墩底摇摆隔震机制及抗震设计方法研究

作者：马华军

来源：岩石力学与工程学报, 2021, 40(08): 1727.

DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2021.0243

• 桩基础
• 铁路桥梁
• 桩基础桥墩
• 墩底摇摆隔震
• 拟静力试验
• 振动台试验
• 抗震设计

近年来,基底摇摆隔震受到国内外学者的广泛关注,由于该方法从结构底部切断了地震传力路径,因而具有隔震效果好,震后可实现自复位的优点。本文针对墩底摇摆隔震问题,通过试验和数值方法研究其摇摆隔震机制及抗震设计方法,为墩底摇摆隔震桥墩在铁路桩基础桥梁中的运用提供依据。(1)基于前期关于铁路高墩桥梁墩底摇摆隔震方法的研究基础,通过对现有铁路桩基础桥墩的设计进行改进,提出一种带有限位耗能钢筋的墩底摇摆隔震方法,并与自由摇摆隔震和无黏结预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震的方法进行了对比,阐述了3种不同摇摆模式桥墩的隔震原理。(2)通过拟静力试验获得了3种不同摇摆隔震桥墩的初始刚度、提离荷载、极限荷载。分析了摇摆隔震桥墩的滞回特性和耗能机制,并研究了预应力防倾覆钢筋和限位耗能钢筋的约束效应及其对摇摆隔震桥墩的抗倾覆能力的影响。结果表明,自由摇摆桥墩摇摆过程中存在抗倾覆能力不足的问题,限位耗能钢筋约束摇摆隔震桥墩具有刚度较大且耗能性能较好的优点,预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震桥墩具有较好的自复位性能。(3)通过振动台试验获得了3种摇摆隔震桥墩在不同的地震波输入条件下的地震响应,包括墩顶水平加速度、水平位移和加台的竖向提离加速度、提离位移。分析了限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋对桥墩提离摇摆反应的影响。结果表明,自由摇摆隔震桥墩的摇摆反应过大,且碰撞效应明显,不利于桥梁抗震;限位耗能钢筋摇摆隔震桥墩约束效应强,可以明显减小墩顶摇摆幅度;而预应力防倾覆钢筋既可以控制摇摆幅度,同时具有自复位的功能。限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋摇摆隔震桥墩的隔震效果均较好,能满足设计要求。(4)结合试验结果,提出了可模拟有限位耗能钢筋的摇摆隔震桥墩的四弹簧计算模型。同时利用两弹簧、三弹簧和四弹簧模型分别模拟了3种墩底摇摆隔震桥墩,建立了有限元分析模型,进行了Pushover和动力响应数值分析。分析结果与模型试验结果的骨架曲线吻合度较高。动力响应分析结果与振动台试验得到的加速度、位移试验曲线也具有较好的吻合度。表明了本文采用的弹簧模型能够在一定程度上模拟摇摆隔震桥墩在地震作用下的力学性能。(5)基于模型试验和数值分析结果,针对本文的3种墩底摇摆隔震桥墩提出了关键构件(加台、限位耗能钢筋、预应力防倾覆钢筋)的抗震设计原则。验证了一弹簧分析模型(转动弹簧模型)可以用于桥墩的墩底摇摆隔震简化计算。给出了为防止基础提离时局部混凝土压碎而增设的加台底钢板尺寸的计算公式。提出了摇摆隔震桥墩桩基础的计算模型。通过对原型桥墩进行抗震计算,分析了摇摆隔震桥墩与非隔震桥墩及基础的地震反应,讨论了隔震前后桩基础配筋率的变化。结果表明,隔震后的桩身只需配少量的钢筋即可满足抗震设计要求。

• 单位
  兰州交通大学; 土木工程学院