铁路新型柱板式高墩抗震性能试验及数值模拟方法研究
李子奇1,2
(1. 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃 兰州 730070;2. 兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)
Study on seismic performance test and numerical simulation method of railway new type column slab high piers#br#
LI Ziqi1,2#br#
(1. Key Laboratory of Road and Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,Gansu 730070,China;2. School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,Gansu 730070,China)
摘要 桥梁作为重要的生命线工程,其重要性不言而喻。国内外研究表明,对于高烈度山区,修建空心高墩桥梁将更为经济、合理;传统铁路高墩截面尺寸通常设计得很大以防止高墩桥梁在墩顶产生较大的墩顶位移,但墩身质量的增加往往对桥梁抗震性能是不利的。为解决传统空心高墩诸多不足,国内外先后提出了各种各样不同截面型式的新型高墩结构。在总结国内外高墩研究的基础上,我国设计人员首次采用了新型柱板式空心高墩,柱板式桥墩能在大量减少圬工量的同时,采用结构控制技术来提高其自身的抗震性能。柱板式桥墩在地震荷载作用下通过柱间板的开裂和破坏来延长结构周期和消散地震动能量,防止、减少框架柱破坏,进而提高桥梁结构整体的抗震性能。为深入研究该类桥墩的抗震性能及其抗震数值计算方法,以新型柱板式空心高墩连续刚构桥为工程背景,主要研究内容及结果如下:
(1) 按相似原理,针对新型柱板式高墩的横桥向柱板、纵桥向柱板及纵桥向框架,共制作了8个1∶10缩尺模型构件,采用拟静力试验方法研究了模型试件的破坏机制、滞回特性及刚度退化等结构抗震性能;并通过拟静力试验获得了柱板式结构的破坏模式。由于通风孔口应力集中和应力扰动的影响,柱间板通风孔为结构受力的薄弱部位,结构首先从通风孔处产生斜向45°剪切裂缝,随着荷载增加,斜裂缝不断延伸、扩展并伴有新斜裂缝产生,最终在板上出现相互交叉的网状裂缝。混凝土出现剥落及掉块。试验加载完成后,框架柱出现水平裂缝,但核心混凝土基本完整。从结构的破坏模式来看,板主要受剪产生剪切裂缝,框架柱受弯产生弯曲裂缝。从模型拟静力试验滞回曲线的形状来看,曲线呈中部“捏缩”状,模型结构具有良好的塑性变形能力和地震耗能能力。从模型拟静力试验的等效阻尼系数、能量耗散系数等结果,推定该模型结构的抗震性能较好。
(2) 运用有限元软件建立相应模型试件的实体模型,并采用与拟静力试验相同的加载制度对其抗震性能进行数值模拟。从滞回曲线形状、等效黏滞阻尼系数、能量耗散系数及刚度退化等方面,研究柱板结构的延性和变形能力,并与拟静力试验结果进行对比分析。研究表明:实体模型与拟静力试验在循环荷载作用下的破坏模式、滞回曲线的整体形状及趋势较为吻合。有限元模型为考虑钢筋滑移效应,其滞回曲线中部较为饱满;试验存在钢筋滑移现象,其滞回曲线中部有“捏缩”现象。
(3) 采用二元件模型模拟柱间板的非线性特性。建立适用于该柱板结构的二元件模型参数计算公式;通过实体数值模拟计算和拟静力试验结果验证修正后的二元件参数计算方法的有效性,建立了柱板构件非线性地震反应分析的简化数值模拟方法。结果表明:修正后的二元件杆系模型计算结果与拟静力试验结果以及实体仿真计算结果吻合较好,验证了本文提出的修正二元件杆系模型的正确性。该方法极大地提高了该类新型柱板式高墩抗震设计中的计算效率,也为抗震性能计算分析时相关参数的设定提供了理论依据。
(4) 采用有限元杆系模型,对新型柱板式高墩特大桥在多遇地震动作用下的地震反应进行了分析,研究表明:新型柱板式高墩在地震作用下,框架柱主要承受桥墩的弯曲作用,柱间板主要承受桥墩的剪切作用,新型柱板式桥墩具有良好的弯剪抗震性能。
(5) 采用修正二元件全桥模型抗震分析模型,对新型柱板式高墩特大桥进行全桥非线性地震响应分析,重点研究了该新型柱板式桥墩的抗震性能和地震响应特性。结果表明:① 强震作用下,新型柱板式高墩结构通过柱间板的破坏耗能,有效地保护了墩柱,延长了结构周期。新型柱板式空心高墩在地震作用下的内力和位移分布情况与常规桥墩的区别显著,桥墩内力和位移峰值出现位置与地震动输入方向相关。② 新型柱板式空心高墩在罕遇地震作用下,柱间板产生剪切裂缝并进入屈服状态,墩柱仍处于弹性状态。③ 新型柱板式空心高墩在地震中具有良好的延性,在柱间板达到屈服状态后进入塑性阶段继续工作。④ 新型柱板式空心高墩地震弯矩、剪力及位移的分布情况与常规桥墩的区别显著,新型柱板式空心高墩在地震作用下的弯矩、剪力和位移等响应控制截面与地震输入方向有关。⑤ 在横桥向地震作用下,位移峰值位于墩顶处,剪力峰值位于桥墩中部,弯矩峰值出现于墩中上部和墩底位置;在顺桥向地震作用下,位移峰值位于墩中上部,剪力峰值位于墩底位置,弯矩峰值出现于墩身中部。因此,地震作用下该类新型高墩墩身中部区域会出现较大的弯矩、剪力和位移需求,在抗震设计中应予以重视。
关键词 :
交通工程 ,
新型柱板式高墩 ,
模型试验 ,
二元件模型 ,
实体模型 ,
破坏机制 ,
滞回特性
[1]
张明礼1,2*,王永斌1,侯彦东1,2,冯 微1,2,周志雄1. 夏季暖湿复合极端气候下多年冻土斜坡水热响应与失稳机制模型试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1854-1868.
[2]
陈卫忠1*,刘辛宇1,2,杨建平1,王 伟1,2,臧中海3,丁洪元3,张哲元3,王小刚3,施峥嵘1. 地下储能人工硐室大型三维物理模型试验系统研制及其模型试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1615-1628.
[3]
毛玉铤1,2,何满潮1,2,刘方洲3,白 星4,杨晓杰1,2,陶志刚1,2*. 大比尺隧道物理模型蠕变试验系统研制与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1627-1638.
[4]
刘国锋1,江 权2*,段淑倩3,丰光亮2,赵金帅4,牛自卫1,李 琦1. 大型地下洞室硬岩应力–结构型塌方特征与机制 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1048-1064.
[5]
刘才华1,2*,范 凯1,2,孙朝燚1,2,张 伟1,2,袁家好1,2. 岩质边坡倾倒变形的地质特征、灾变机制与稳定性分析方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 639-667.
[6]
贺 铮1,谢谟文2*,赵 晨2. 重力主导作用下拉裂型边坡危岩体临崩微倾斜变形规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 449-465.
[7]
张敬一1,马 兵2. 既有建筑地下增层改造桩基承载特性离心模型试验 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S1): 219-229.
[8]
黄大维,卢文剑,罗文俊,陈 凯,陈后宏. 盾构施工对上部地层受荷变形影响试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S1): 51-60.
[9]
林存刚1,2,3,4,秦家贵1,陶旭光5,刘志军6,丁 智7. 不同饱和状态砂土渗漏流化特性及水力准则 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(9): 2500-2514.
[10]
李闻勃1,2,高 伟1,2,韩圣铭1,2,温汉宏2,丁 航2,黄宝龙2,宁方波2. 上海淤泥质黏土层-50 ℃深冷冻结温度场多参数协同优化模型试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(8): 2232-2248.
[11]
张 宁1,2,周 辉1,2,高 阳1,2,朱 勇1,2,卢景景1,2,赵成伟1,2,程广坦3. 深埋走滑断层错动作用下岩体变形特征及其受地应力的影响 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(6): 1500-1513.
[12]
陈奕安1,赵光明1,许文松1,许 江2,彭守建2. 渗流–应力耦合下砂岩广义应力松弛特性与流变破坏机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(5): 1286-1299.
[13]
黄 阜,张 敏,王志文,王勇涛,肖 健. 基于空间离散技术的顶部隐伏溶洞诱发隧道围岩塌方破坏三维稳定性研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(5): 1191-1203.
[14]
李克升1,刘传孝2,张敏真3. 侧向卸荷条件下砂岩孔道试样的力学特性及破坏机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(4): 881-897.
[15]
张小波1,2,易 乐1,2,姚 池1,2,马永力1,2,杨建华1,2,姜清辉3,周创兵1,2. CNL及DNL两类边界条件下粗糙结构面剪切力学特性及破坏机制比较研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(4): 865-880.