基于温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究

由于环境温度使主梁发生胀缩变形,导致整体桥桥台水平往复运动及桥台-土、桩基-土的相互作用。本文以某整体桥为工程背景,开展基于昼夜温度、季节性温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土体系的低周往复位移荷载拟静力试验,分析试件的滞回性能、骨架曲线、桥台转角等变化规律。试验结果表明:试件全年滞回曲线可视为季节性温度作用、昼夜温度作用的滞回曲线叠加。从季节性温度作用来看,受春夏季升温影响,MTS水平力先快速增大,随后持续升温,水平力增速放缓;受夏秋季、秋冬季连续降温的影响,水平力先急剧减小,而随后持续降温,水平力降低减缓;受冬春季升温影响,水平力先急剧增加后增速放缓,其增速与第一次春夏季升温时相似,但由于台后土发生累积效应,产生的水平力更大。从昼夜温度作用来看,当环境温度较高时(夏季),夜晚降温对体系相互作用的影响大于白天升温时的影响;当环境温度较低时(冬季),白天升温对体系相互作用的影响大于夜晚降温时的影响。从骨架曲线来看,受中长期环境温度影响,整体式桥台-桩-土体系相互作用中存在由非线性向线性不断转化的过程。在加载初期,桥台转角与加载位移变化规律基本一致,随着环境温度变化,两者逐渐偏离,特别是在次年的第一季度,两者已产生较为明显的正方向偏移。

桩柱式桥台土-结构相互作用抗震性能研究

为研究桩柱式桥台在地震过程中的结构响应规律。分析了现有研究的不足;以某立交G匝道曲线梁桥的桥台为工程背景,开展了基于实体的地震反应研究,并对地震过程中桥台背墙自底部向上各位置的位移时程曲线进行监测。在此基础上,对桥台高度、土体剪胀角度、土体与桥台接触条件三个因素对桥台地震响应的影响开展了研究。研究发现:随着桥台高度的增加,台背最大位移的放大系数逐渐变大;在该研究范围内,土体剪胀角对桥台地震位移响应影响不大;当不考虑桥台与土体分离效应时桥台顶部地震响应比考虑桥台与土体分离时的地震响应小,建议在进行桥台抗震设计中应准确模拟土体与桥台的接触界面状态。研究成果可为桥台结构的地震响应研究提供参考依据。

考虑土-桥台-上部结构相互作用的曲线桥抗震性能研究

对国内外历次地震中桥台震害进行了梳理。介绍了简化桥台模型、弹簧桥台模型、弹性梁单元桥台模型等几种针对城市桥梁桥台的典型数值模拟方法;以某立交G匝道曲线梁桥梁为工程背景,建立考虑土-桥台-上部结构相互作用的不同精细化程度的数值模型,开展人工地震动条件下的非线性动力时程反应分析,对比分析不同数值模型的计算误差;在此基础上选取合理数值模型,对桥梁曲率半径进行变参数研究,探讨墩底内力、墩梁相对位移以及台梁相对位移的变化规律。研究发现:提高土-桥台-上部结构相互作用的模拟精细化程度可以更准确地反映桥梁边墩的地震响应,特别是弹性梁单元桥台模型可综合考虑桥台的动力响应,值得推荐;考虑土-桥台-上部结构相互作用条件下,曲率半径越小,各桥墩横向内力及位移差异越明显,建议在进行曲线桥梁抗震设计中应予以重视。

地震下高墩刚构桥桥台-背土相互作用分析方法对比

针对重力式U型桥台-背土相互作用,结合现行抗震规范,提出了4种分析模型及其力学本构关系和计算式。采用非线性时程法对比研究了某在建高墩双薄壁连续刚构桥的桥台-背土相互作用效应。结果表明:只有弹簧模型可以求得与精细模型基本一致的高阶弹性模态;在纵桥向,滚轴模型和支座模型的结果都比精细模型小,弹簧模型相对精细模型的计算误差最小,关键内力误差不超过20%;在横桥向,支座模型的内力最接近精细模型,而弹簧模型和滚轴模型的结果都偏保守;桥台刚度对关键地震内力的影响幅度低于10%,而桥台有效参与质量的影响幅度也低于15%。综合考虑分析精度和计算成本,弹簧模型在抗震设计中更值得推荐。

地震作用下考虑桥台-土相互作用的多跨简支板梁桥碰撞效应研究

针对典型的三跨简支板梁桥,基于台背墙-土、桩基-土动力相互作用模型以及Kelvin碰撞模型,利用OpenSees有限元软件建立了考虑桥台-土相互作用的多跨简支板梁桥碰撞模型,采用非线性时程法研究了碰撞对台背墙地震力、台后填土变形,以及桥台桩基地震响应的影响.结果表明:地震作用下梁体与台背墙的碰撞作用使得台背墙顶部纵向变形,底部弯矩、剪力,以及台后填土塑性变形明显增大,易引起台背墙损坏及台后填土失效;且撞击力还可传递给桥台基础,使得桥台桩基地震弯矩和剪力显著增大,引起桥台桩基破坏.

整体式桥台-混凝土桩-土相互作用拟静力试验

由于整体式桥台无缝桥(以下简称整体桥)具有诸多优点,因而在欧美等国得到广泛应用。不过,整体桥结构的特殊性会引起复杂的结构-土相互作用。为了适应整体桥上部结构的纵向变形,国外多采用H型钢桩,而我国以混凝土桩(RC桩)为主。大量研究及工程实例表明,采用RC桩能够满足整体桥变形要求,但台后土对RC桩内力的影响尚不明确。为此,选取国内某整体桥为背景,以RC桩的配筋率及截面形状为设计参数制作了4个整体式桥台-RC桩试验模型,对其开展整体式桥台-RC桩-土相互作用低周往复荷载拟静力试验研究,主要研究了整体式桥台-RC桩-土体系的破坏形态、滞回耗能性能、水平变形规律和相互作用机制等。试验研究表明,往复位移加载下台后填土会出现脱空现象,试件破坏位置主要集中于桥台底部与桩顶连接头处及其下部一定埋深范围内,增大RC桩配筋率或采用矩形截面RC桩可使破坏位置下移,改善其受力性能。整体式桥台-RC桩-土体系的滞回曲线在第一象限较为饱满,表现出较好的耗能能力,而第三象限滞回曲线包裹面积较小。增大RC桩的配筋率或采用矩形截面RC桩可增大整体式桥台-RC桩-土体系的耗能能力与承载力,并可增大RC桩的弹性开裂位移,使其更晚屈服和破坏,同时其刚度退化速率和退化幅度也可显著减小。试验研究还表明,当加载位移超过弹性极限位移时,整体桥混凝土桩基的水平变形会出现明显的累积现象。同时,桥台与桩身连接头的相对转角随着损坏程度的增加而增大。提高RC桩配筋率或采用矩形截面RC桩后,桥台与桩身连接头的破坏明显减轻,累积变形显著减小。

考虑台后不平衡土压力下整体桥H型钢桩基-土相互作用内力计算方法

在台后填土作用下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用和大不平衡土压力下(台后土表面均布荷载增大了3.81 kPa)整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究的基础上,提出了考虑台后不平衡土压力下整体桥桩基-土相互作用的内力计算方法,计算了整体桥台底弯矩和剪力以及桩身弯矩和剪力,并与现有的台后土压力理论和桥梁规范的计算值进行比较。结果表明:正向加载时,采用现有的台后土压力理论和桥梁规范计算得到的台底弯矩和剪力以及桩身弯矩和剪力均与试验结果存在较大偏差;采用黄-林法可较准确地计算AHP模型的台底弯矩和剪力以及桩身弯矩和剪力;对于LAHP模型,试验值均与各理论计算值相差较大;正向加载时,随着位移荷载的增加,AHP和LAHP模型的台底和桩身弯矩均逐渐增大;台后堆载(大不平衡土压力)对整体桥台底剪力和弯矩以及桩身的剪力和弯矩产生较大的影响,LAHP模型的台底和桩身弯矩整体上均大于AHP模型的,而LAHP模型的台底剪力小于AHP模型的,桩身剪力大于AHP模型的。

不平衡土压力对整体式桥台-H型钢桩-土体系力学性能影响试验

为研究不平衡土压力对整体式桥台-H型钢桩-土体系力学性能的影响,在已开展的不平衡土压力下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究基础上,进一步开展了更大不平衡土压力(台后土表面均布荷载增大了3.81 kPa)下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究,对比分析了更大不平衡土压力对桩身水平变形、桩侧土压力、应变和弯矩等方面的影响。结果表明:在试验条件下,更大不平衡土压力对桩身水平变形、土抗力、应变和弯矩的分布规律无影响;正向加载时,更大不平衡土压力使得桩身累积变形的位置更深,桩侧最大土抗力和桩身弯矩增大;负向加载时,更大不平衡土压力也使得桩身累积变形的位置更深和弯矩增大;正向加载时,更大不平衡土压力使得累积变形减小,负向加载时则相反;正向加载时LAHP模型的桩侧土抗力、应变和弯矩显著大于负向加载时的,正向加载时的最大桩侧土抗力和弯矩分别为负向加载时的2.2倍和2.1倍。

带EPS的整体式桥台-桩-土相互作用拟静力试验

整体桥中台后土压力在温度循环作用下会发生较大变化,这种季节性横向土压力的变化在每次温度循环后会持续增大,其实际所受水平土压力会远大于桥台设计时的压力,同时桥台桩基会产生累积和残余变形,因而有效减少台后土压力与桥台桩基的累积和残余变形至关重要。为此以桥台-H形钢桩试件为研究对象,通过在桥台侧向施加水平位移荷载,开展带膨胀聚苯乙烯(EPS)填料板的整体式桥台-桩-土往复荷载拟静力试验,分析桥台、桩基的骨架曲线、滞回曲线及其沿入土深度方向的水平变形和桥台转角等的变化规律,初步研究EPS填料板的厚度对桥台-桩基-土相互作用受力性能的影响。试验结果表明:在台后埋设EPS填料板能有效减小上部结构变形时桥台所受到的水平力,最大可减小31%;同时,也可减小模型试件的累积变形,其随着EPS厚度的增加而逐渐减小,尤其对桩的累积变形减小最为显著,最大减小了74.3%;在台后埋设EPS填料板也可有效减小台后填土对桥台转角的约束作用;台后埋设EPS填料板会使单步位移荷载作用下产生的变形有所增大,但幅度不大;试验全过程各模型试件均表现出了良好的弹性性能和变形能力。

整体式桥台-H形钢桩-土相互作用低周往复拟静力试验

整体桥具有使用寿命长、施工方便、造价及养护费用低等特点,目前在国内外得到了广泛应用与推广。然而,整体桥在季节性温度荷载作用下会发生往复位移,并产生桥台-桩基-土相互作用。为此,以福建上坂大桥为背景,设计制作桥台-桩基结构试验模型,开展桥台-H形钢桩基-土相互作用低周往复荷载拟静力试验研究,主要研究桥台、桩基的滞回性能与变形规律以及桥台-桩基-土三者相互作用的机理。结果表明:桥台与桩基的等效黏滞阻尼比均较大,其值大于0.15,即整体桥具有良好的抗震性能和耗能能力;整体桥在温度作用下桩基处于弹性状态,但会发生残余变形,同时在台背与桩顶的一定宽度和深度范围内存在土体脱空现象,实际工程中产生桥头跳车、搭板沉降的原因不仅与台后土体的特性相关,还与桥台结构的受力机理相关;仅测量和分析上部未入土结构的变形并不能准确反映整体结构的变形规律;试验循环加载全过程桥台-桩基-土相互作用会产生累积变形,其中桩基的累积变形要大于桥台的累积变形,且其累积变形远大于任意单步荷载作用下产生的变形;目前对于现有桥台-桩基变形的理论并未考虑累积变形的影响,该研究结果可为有关规范的制订提供参考。

整体式桥台-桩基-土相互作用内力计算方法研究

整体桥具有使用寿命长、施工方便、造价及养护费用低等特点,目前在国内外得到了广泛的应用与推广。以某整体桥为工程背景,设计制作了桥台-桩基结构试验模型,开展了整体式桥台-H形钢桩-土相互作用低周往复荷载拟静力试验,主要研究了桥台和桩基的应变、弯矩与剪力等。试验结果表明:桥台正向移动时桩身应变呈现"酒杯"形分布,负向移动时呈现"橄榄"形分布;同时,无论是最大压应力还最大拉应力,均是正向位移荷载作用下的要明显大于负向作用下的。因此,升温时桩基的内力要大于降温时的,也即夏季高温时的H形钢桩基受力最为不利。为减小升温对桩基的不利影响,建议整体桥合龙温度取略高于年平均温度。同时,在试验研究的基础上,进行了整体式桥台和桩基的内力计算。计算结果表明:采用现有的经典台后土压力理论或桥梁规范计算得到的台底弯矩和剪力与试验结果均存在较大偏差,而采用黄-林法可较准确地得到台底弯矩和剪力。另外,计算结果还表明:负向加载时,采用现有计算方法得到的桩身弯矩和剪力与试验结果偏差不大,分布规律也与传统桩基的相似;但是,正向加载时,采用现有的计算方法得到的桩身弯矩和剪力与试验结果存在较大偏差,分布规律也明显不同。所提出的多项式拟合法和黄-林法能够较为准确地计算得到整体式桥台-桩基-土相互作用时的弯矩和剪力,实际工程中可采用该方法来计算整体桥的桥台和桩基内力,该方法可为中国整体桥的设计与应用提供参考和借鉴。

整体桥台后大不平衡土压力计算方法研究

为研究车辆重载等引起的台后大不平衡土压力的变化,通过开展有、无考虑台后大不平衡土压力影响的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究,分析对比台后大不平衡土压力大小、分布规律及其计算方法。结果表明:在设置的试验条件下,随着位移荷载的增加,台后填土作用下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用模型(AHP模型)台后土压力由三角形分布变为梯形分布;而台后大不平衡土压力下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用模型(LAHP模型)台后土压力呈梯形分布。LAHP模型的台后土压力系数K整体上大于AHP模型。现有的台后土压力系数K计算方法不适用于整体桥。当δ/h=0.016时,AHP和LAHP模型的台后土压力系数分别为12.34和16.16,远大于JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中主动土压力系数(K_(ac)=0.24)和静止土压力系数(K_(0)=0.43),也远大于现有的计算方法(Coulomb被动土压力系数K_(pC)=9.96和Rainkine被动土压力系数K_(pR)=3.69)。本研究可为整体桥设计计算和相关规范的制定提供借鉴和参考。

铁路桩基础桥台抗震性能参数影响分析

为了揭示桩基础桥台在地震作用下抗震性能的变化规律,以铁路重力式桥台为研究对象,通过数值模拟的方式分析桩头轴压比、桩基配筋率和桥台高度3种因素对桥台滞回曲线、骨架曲线、耗能能力的影响。研究结果表明:桥台正方向(远离填土)和负方向(面向填土)滞回曲线呈明显非对称分布,这与桩基础、混凝土柱等结构的轴对称分布有较大差异;在相同加载位移的情况下,增大桩基配筋率和桩头轴压比可以提高结构的承载力但会降低耗能能力;同等条件下,桥台负方向的刚度是正方向的7倍,承载力是正方向的10倍;桥台负方向由于加载过程中的脱空、隆起现象耗能能力会有所降低。因此需要考虑桥台的特殊性,防止出现远离填土一侧过早破坏引起的经济损失和安全隐患。

半整体式桥台无缝化斜交桥的抗震性能分析

为了掌握半整体无缝斜交桥的动力特性和地震响应特点,采用MIDAS/Civil建立了湖州贯边桥的有限元模型,进行了动力特性分析,并运用反应谱法和地震时程法对无缝化斜交桥进行了地震响应分析。结果表明:梁端台后土对桥梁的约束作用随斜交角的增大而逐渐减弱;主梁梁端台后土的作用对桥梁结构是有利的,可以有效约束桥梁纵飘;在进行地震安全性分析时,用反应谱法所得的墩底内力和墩顶位移均大于时程分析法;在进行半整体无缝斜交桥的工程设计时,应以垂直于盖梁方向输入地震动计算固定支座所产生的墩顶位移来控制桥梁的抗震安全性;所得研究成果为半整体式桥台无缝化斜交桥的抗震设计和研究提供了可参考资料,对该桥型的实际工程应用和发展起到了推动作用。

边坡对铁路桥台抗震性能的影响分析

以黄土边坡上某铁路桥台为工程背景,采用ABAQUS有限元软件,建立考虑边坡影响的桩-土-桥台相互作用分析模型,通过拟静力分析研究边坡及桥台高度对铁路桩基础桥台抗震性能的影响.结果表明:边坡和桥台高度对桩基础桥台的承载能力、耗能能力及结构刚度等影响较大.边坡使桩基桥台的河沟侧承载力平均降低25.1%,等效粘滞阻尼系数平均降低17.4%,路堤侧承载力和等效粘滞阻尼系数无显著差异;随着桥台高度的增加,桩基桥台河沟侧承载力降低而路堤侧承载力提高,路堤侧耗能能力降低而河沟侧耗能能力变化不明显.另外,边坡从整体上降低了桩基桥台河沟侧的刚度.

地震作用下桥台非线性力-位移能力预测及其应用

为给考虑桥台非线性行为的桥梁整体抗震设计提供参考,针对非线性土-桥台-桥梁结构相互作用,采用土的双曲线应力-应变关系,给出了桥台纵桥向非线性力-位移行为;并基于全尺寸桥台试验数据,提出了一种桥台非线性力-位移关系的双曲线简化适用计算公式;将此简化公式应用于有限元模型中,分析了桥梁上部结构-桥台背墙-回填土相互作用对桥梁结构地震反应的影响。结果表明:给出的预测模型和简化公式可准确评估桥台纵桥向非线性力-位移能力,且便于应用到桥梁抗震设计中;桥台非线性力-位移滞回性能对桥梁结构地震反应影响显著,在桥梁抗震设计中应合理考虑。

整体式桥台-H形钢桩-土体系抗震性能试验

整体桥因其全周期寿命长、整体性好和养护费用低等特点,得到了广泛应用,但对其在地震荷载作用下的受力特点和变形规律还缺乏深入研究。基于此,以某整体桥为背景,制作桥台-H形钢桩试验模型,开展整体式桥台-H形钢桩-土体系抗震性能拟静力试验研究,分析桥台-H形钢桩的破坏模式、滞回性能、骨架曲线、水平变形和桥台转角等变化规律。试验结果表明:H形钢桩出现较大的负向残余变形,但负向加载下H形钢桩未出现破坏;台后、台底及桩顶土体均出现大范围脱空;试件的等效黏滞阻尼比约为0.35,具有良好的耗能能力;正向加载下试件的弹性抗弯刚度是负向的12.6倍,最大承载力是负向的3.85倍,台后土对试件的刚度和承载力影响显著;破坏时试件刚度减小至初始刚度的33%,退化不显著;相比位移延性和割线刚度,采用环线刚度分析其抗震性能更为合适,改进后的割线刚度能更准确地反映试件的刚度退化;考虑整体和局部累积变形的影响,大加载位移作用下,桩身出现较大的负向整体累积变形,且桩身沿深度方向多处出现局部累积变形;加载过程桥台仅发生刚体位移,正向转角逐渐增大,负向转角先增大后减小再转为正向倾斜。研究发现整体式桥台-H形钢桩-土体系拥有优越的抗震性能。

整体式斜交桥台-桩-土体系往复加载拟静力试验

将整体式桥台引入斜交桥中形成整体式斜交桥,可有效改善地震中桥梁上部结构纵横向耦连效应造成的面内扭转及落梁现象;但整体式桥台中主梁与桥台浇筑为一体,在地震作用下将发生复杂的桥台-桩-土相互作用。为此,以某整体式斜交桥为原型,开展了斜交桥台-H形钢桩-土体系往复加载拟静力试验研究,探究了体系的抗震性能、台后土压力分布规律以及桥台和钢桩的水平变形特征等。结果表明:斜交桥台-H形钢桩-土体系具有较高的耗能能力及延性,台后土对体系的抗震性能影响显著。台后土提高了体系抗侧承载力及刚度,但亦造成正负向受力不对称性,其中正向抗侧承载力及刚度明显高于负向,但残余承载力及位移明显小于负向。在小位移(<0.01H,H为桥台高度)下,斜交桥台的台后土压力沿埋深方向近似呈三角形分布,最大土压力位于台底;沿水平方向呈抛物线形分布,最大土压力位于距桥台锐角0.25 m处;沿纵桥向呈三角形分布,最大土压力位于台背。在大位移(≥0.01H)下,台后土靠台背处出现明显扇形塌陷区域,导致桥台顶部土压力降低,沿埋深方向开始呈双折线分布,沿水平方向呈三折线分布,最大土压力位置不变;沿纵桥向呈双折线分布,最大土压力与台背距离随加载位移逐渐增加。试验结束时,桥台顶部塌陷区域深度近500 mm,宽度近600 mm。加载过程中桥台基本为刚体,出现平动及转动位移;由于部分台后土流动至钢桩前侧,钢桩顶部产生朝向台后土方向的局部累积变形,桩身水平变形在埋深0.25 m处出现拐点及最大值,而非桩顶,试验结束后无明显残余变形。

往复位移作用下整体桥台后土压力计算方法

整体桥具有使用寿命长、施工方便、造价及养护费用低等特点,目前在国内外得到了广泛应用与推广,但是,其台后土压力计算方法还缺乏深入研究。为此,以永春上坂大桥整体桥为设计背景,开展了整体式桥台-H形钢桩-土相互作用的低周往复荷载拟静力试验研究,主要研究了台后土压力大小及其衰减规律,并给出了桥台内力和台后土压力计算方法。研究结果表明:台后土压力与正向加载位移成非线性关系,且随着正向加载位移的增大而增大;台后土压力沿深度方向主要呈"三角形"与"梯形"分布,同时,台背处土压力合力作用点基本位于2/3桥台高度的埋深位置处;台后土压力沿纵桥向成指数衰减,且在台后2倍的桥台高度处基本衰减为0,即温度作用下整体桥桥台的纵向移动仅对台后2倍桥台高度范围内的土体有影响。现有研究及规范给出的方法不适用于整体桥的台后土压力计算,而所提出的台后土压力计算方法与试验、实桥监测结果较为吻合,其可为整体桥的设计及规范的制定提供参考与借鉴。

桥台及台后填土破坏的桥梁纵向地震碰撞响应

以汶川地震中发生严重破坏的高原大桥为工程背景,采用“多模型多平台”分析技术研究了主梁与桥台及台后填土的纵向碰撞效应及对全桥地震反应的影响。首先利用ANSYS软件建立桥台及台后填土非线性数值分析实体模型,基于静力Pushover分析模拟其在主梁撞击下水平力-位移关系。将上述力-位移关系引入到MIDAS软件中,主要以间隙单元模拟桥台及台后填土与主梁的碰撞作用,并建立全桥抗震分析模型。通过非线性时程分析及与震害对比,讨论了桥台及台后填土破坏、伸缩缝处安装碰撞缓冲装置等情况下主梁与桥台间的纵向碰撞响应。研究结果表明：桥台及台后填土破坏将增大桥台伸缩缝处桥台与主梁间的相对位移,增加了落梁风险;由于地震动输入和桥台位置不同,碰撞缓冲装置对台、梁间碰撞力的影响存在不确定性,建议碰撞缓冲装置刚度宜取为桥台及台后填土整体抗推刚度的1%~5%,并优先选用耗能型。