【博士】大型桥梁高桩承台群桩基础抗震能力研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：同济大学土木工程学院　　学位年度： 2009年　　高桩承台群桩基础在我国大型桥梁中得到了广泛的应用，但对采用这种基础结构形式的大型桥梁结构的静、动力性能研究严重不足，设计人员仍旧采用小规模群桩基础结构的设计方法来设计大型高桩承台群桩基础结构。在抗震设计中，对结构整体地震响应、抗震能力方面的研究和认识存在不足。设计中通常只验算群桩基础结构中受力最不利边桩的抗震能力，缺乏对群桩基础结构整体抗震能力的计算和分析，因而对地震下高桩承台群桩基础结构整体的地震响应和抗震能力缺乏了解和掌握。因此，开展大型高桩承台群桩基础结构整体抗震能力的研究具有重要的理论意义和实用价值。　　本文主要完成的工作和得出的结论如下：　　(1)对高桩承台群桩基础结构的受力性能、结构抗震的延性设计方法、结构易损部位的设计及控制方法、钢纤维混凝土材料在结构工程中的应用等方面的已有研究成果进行了总结和归纳，在阅读和理解相关文献的基础上，拟定了本文主要的研究内容和研究方法。　　(2)研究了承台设计对采用高桩承台群桩基础的大型桥梁结构地震响应的影响，结果表明：与厚度较大而能够视为刚性体的承台设计相比，高桩承台群桩基础结构中承台的设计厚度较小而刚度不足时，结构整体的抗震性能较差；当承台的刚度较大而可视为刚性体时，通过承台的变厚度设计可以有效减轻承台自身的质量，提高群桩基础结构整体的抗震性能；承台吃水深度较小时，可以不考虑承台．水体相互作用问题对结构抗震性能的影响；承台吃水深度较大时，抗震计算中有必要计及承台．水体相互作用问题对桩基地震需求的影响。　　(3)以一座大跨斜拉桥为工程背景，研究了地震下主塔及高桩承台群桩基础结构的受力特点，发现：对于纵向采用飘浮体系且主塔、主梁之间设有阻尼器进行减震的大跨斜拉桥结构，地震下主梁结构的惯性力荷载是通过斜拉索、阻尼器两个路径传递到主塔，同时速度型阻尼器是一个变刚度的连接构件，导致在两个力的传递路径中主梁传递给主塔的荷载大小不满足固定的比例关系。　　(4)对于像斜拉桥这样的复杂结构，静力推倒分析中各种侧向力分布模式都不能合理的代表地震下主塔及群桩基础结构的受力特点。然而，对于群桩基础结构而言，承台通常可以视为刚性体，推倒分析中各种侧向力分布模式之间差异的实质是承台底截面剪力、弯矩的比例关系不同。因此，本文中将群桩基础结构的抗震能力与地震响应联系起来，根据地震下承台底截面的最大内力响应，确定群桩基础结构进行静力推倒分析时采用的加载模式。　　(5)钢护筒桩中，钢护筒对桩身混凝土是否存在约束作用的问题在工程界一直存在争议，本文针对两种不同的情况，即：钢护筒对桩身混凝土具有约束作用、钢护筒对桩身混凝土没有约束作用，分别对群桩基础结构分析模型进行了整体推倒分析，发现：考虑钢护筒对桩身混凝土的约束效应与不考虑的情况相比，群桩基础结构整体的延性变形能力较好，结构整体的最大侧向抗力基本相同。　　(6)钢护筒桩中，部分钢材因为腐蚀而不能发挥结构性作用。对于用钢量相同的钢护筒桩、普通钢筋混凝土桩、钢筋．钢纤维混凝土桩组成的高桩承台群桩基础结构，对群桩基础结构分别进行了推倒分析。结果表明，在考虑钢护筒锈蚀的情况下，对于高桩承台群桩基础结构整体的最大侧向抗力而言，钢护筒桩最低、普通钢筋混凝土桩最高，钢筋．钢纤维混凝土桩介于二者中间。　　(7)对无约束、箍筋约束的钢纤维混凝土材料的受压应力．应变全曲线进行了试验研究，结果发现：钢纤维对混凝土基体的被动约束效应，能够减小材料的受压应力．应变曲线中下降段的斜率，增强混凝土的延性、韧性和耗能能力。　　(8)采用拉杆．抗弯钢板组合系统作为“土弹簧”模拟桩身周边土体的作用，对于由普通混凝土模型桩、钢纤维混凝土模型桩组成的高桩承台群桩基础模型结构进行了拟静力试验研究；对普通混凝土桩、钢纤维混凝土桩群桩基础的的破坏形态、力-位移滞回曲线、塑性铰形成机制、位移延性、刚度特性、耗能能力等进行了比较和分析。　　(9)采用LS-DYNA建立了高桩承台群桩基础模型结构的精细化实体有限元模型，研究了模型中模拟承台的钢板的变形对群桩基础结构整体初始刚度、各组成桩桩身受力的影响，结果表明：承台的变形使得试验结果中群桩基础结构整体的初始刚度较小，在垂直于墩顶水平荷载加载方向的同一排桩中，边桩和中桩的桩头截面内力差异较大。　　(10)采用OPENSEES软件对高桩承台群桩基础模型结构的拟静力试验进行了数值仿真和模拟，结果表明：在本文的四组高桩承台群桩基础模型结构的拟静力试验中，三批钢纤维混凝土模型桩中主筋的损伤程度比在普通混凝土桩中严重，主筋的截面配筋率较低导致试验中主筋较早的破坏，导致试验结果中未能体现钢纤维对结构延性、耗能能力的提高和改善作用。　　(11)假定拟静力试验过程中主筋的损伤程度相同，对本文中的四批高桩承台群桩基础模型结构的拟静力试验进行了数值模拟，结果表明：桩身混凝土中掺入钢纤维后，高桩群桩基础结构整体的强度、延性和耗能能力显著增强。　　

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