【博士】大型橋梁高樁承臺群樁基礎抗震能力研究【2009】

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內(nèi)容簡介

　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：同濟大學土木工程學院　　學位年度： 2009年　　高樁承臺群樁基礎在我國大型橋梁中得到了廣泛的應用，但對采用這種基礎結(jié)構形式的大型橋梁結(jié)構的靜、動力性能研究嚴重不足，設計人員仍舊采用小規(guī)模群樁基礎結(jié)構的設計方法來設計大型高樁承臺群樁基礎結(jié)構。在抗震設計中，對結(jié)構整體地震響應、抗震能力方面的研究和認識存在不足。設計中通常只驗算群樁基礎結(jié)構中受力最不利邊樁的抗震能力，缺乏對群樁基礎結(jié)構整體抗震能力的計算和分析，因而對地震下高樁承臺群樁基礎結(jié)構整體的地震響應和抗震能力缺乏了解和掌握。因此，開展大型高樁承臺群樁基礎結(jié)構整體抗震能力的研究具有重要的理論意義和實用價值。　　本文主要完成的工作和得出的結(jié)論如下：　　(1)對高樁承臺群樁基礎結(jié)構的受力性能、結(jié)構抗震的延性設計方法、結(jié)構易損部位的設計及控制方法、鋼纖維混凝土材料在結(jié)構工程中的應用等方面的已有研究成果進行了總結(jié)和歸納，在閱讀和理解相關文獻的基礎上，擬定了本文主要的研究內(nèi)容和研究方法?！　?2)研究了承臺設計對采用高樁承臺群樁基礎的大型橋梁結(jié)構地震響應的影響，結(jié)果表明：與厚度較大而能夠視為剛性體的承臺設計相比，高樁承臺群樁基礎結(jié)構中承臺的設計厚度較小而剛度不足時，結(jié)構整體的抗震性能較差；當承臺的剛度較大而可視為剛性體時，通過承臺的變厚度設計可以有效減輕承臺自身的質(zhì)量，提高群樁基礎結(jié)構整體的抗震性能；承臺吃水深度較小時，可以不考慮承臺．水體相互作用問題對結(jié)構抗震性能的影響；承臺吃水深度較大時，抗震計算中有必要計及承臺．水體相互作用問題對樁基地震需求的影響?！　?3)以一座大跨斜拉橋為工程背景，研究了地震下主塔及高樁承臺群樁基礎結(jié)構的受力特點，發(fā)現(xiàn)：對于縱向采用飄浮體系且主塔、主梁之間設有阻尼器進行減震的大跨斜拉橋結(jié)構，地震下主梁結(jié)構的慣性力荷載是通過斜拉索、阻尼器兩個路徑傳遞到主塔，同時速度型阻尼器是一個變剛度的連接構件，導致在兩個力的傳遞路徑中主梁傳遞給主塔的荷載大小不滿足固定的比例關系?！　?4)對于像斜拉橋這樣的復雜結(jié)構，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結(jié)構的受力特點。然而，對于群樁基礎結(jié)構而言，承臺通?？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質(zhì)是承臺底截面剪力、彎矩的比例關系不同。因此，本文中將群樁基礎結(jié)構的抗震能力與地震響應聯(lián)系起來，根據(jù)地震下承臺底截面的最大內(nèi)力響應，確定群樁基礎結(jié)構進行靜力推倒分析時采用的加載模式?！　?5)鋼護筒樁中，鋼護筒對樁身混凝土是否存在約束作用的問題在工程界一直存在爭議，本文針對兩種不同的情況，即：鋼護筒對樁身混凝土具有約束作用、鋼護筒對樁身混凝土沒有約束作用，分別對群樁基礎結(jié)構分析模型進行了整體推倒分析，發(fā)現(xiàn)：考慮鋼護筒對樁身混凝土的約束效應與不考慮的情況相比，群樁基礎結(jié)構整體的延性變形能力較好，結(jié)構整體的最大側(cè)向抗力基本相同?！　?6)鋼護筒樁中，部分鋼材因為腐蝕而不能發(fā)揮結(jié)構性作用。對于用鋼量相同的鋼護筒樁、普通鋼筋混凝土樁、鋼筋．鋼纖維混凝土樁組成的高樁承臺群樁基礎結(jié)構，對群樁基礎結(jié)構分別進行了推倒分析。結(jié)果表明，在考慮鋼護筒銹蝕的情況下，對于高樁承臺群樁基礎結(jié)構整體的最大側(cè)向抗力而言，鋼護筒樁最低、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)對無約束、箍筋約束的鋼纖維混凝土材料的受壓應力．應變?nèi)€進行了試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼纖維對混凝土基體的被動約束效應，能夠減小材料的受壓應力．應變曲線中下降段的斜率，增強混凝土的延性、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群樁基礎模型結(jié)構進行了擬靜力試驗研究；對普通混凝土樁、鋼纖維混凝土樁群樁基礎的的破壞形態(tài)、力-位移滯回曲線、塑性鉸形成機制、位移延性、剛度特性、耗能能力等進行了比較和分析。　　(9)采用LS-DYNA建立了高樁承臺群樁基礎模型結(jié)構的精細化實體有限元模型，研究了模型中模擬承臺的鋼板的變形對群樁基礎結(jié)構整體初始剛度、各組成樁樁身受力的影響，結(jié)果表明：承臺的變形使得試驗結(jié)果中群樁基礎結(jié)構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軟件對高樁承臺群樁基礎模型結(jié)構的擬靜力試驗進行了數(shù)值仿真和模擬，結(jié)果表明：在本文的四組高樁承臺群樁基礎模型結(jié)構的擬靜力試驗中，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重，主筋的截面配筋率較低導致試驗中主筋較早的破壞，導致試驗結(jié)果中未能體現(xiàn)鋼纖維對結(jié)構延性、耗能能力的提高和改善作用。　　(11)假定擬靜力試驗過程中主筋的損傷程度相同，對本文中的四批高樁承臺群樁基礎模型結(jié)構的擬靜力試驗進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：樁身混凝土中摻入鋼纖維后，高樁群樁基礎結(jié)構整體的強度、延性和耗能能力顯著增強。　　

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