铁路重力式桥墩抗震加固方法研究

铁路桥墩作为桥梁的下部结构,在地震作用下易遭到破坏。我国高烈度地区依然存在大量的低配筋重力式桥墩。此类桥墩延性及耗能能力较差,抗震能力不足。在历次强烈地震时铁路桥墩的破坏都十分严重。因此,针对既有铁路重力式桥墩提出可靠的抗震加固方法,以及对加固后桥墩的抗震性能进行评估,已成为一个急需解决的问题。根据铁路重力式桥墩的特点,研究了外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法的有效性及可行性,并对3种加固材料与基础的锚固连接方式进行重点研究。制作6组共计23个不同配筋率的混凝土桥墩模型,针对每种加固方法进行试验及理论研究。研究模型桥墩加固前、后的破坏模式、滞回曲线及骨架曲线,分析各种加固方法的加固效果。研究加固后桥墩的抗震性能评估方法。主要研究内容如下:(1)针对铁路混凝土重力式桥墩配筋率低,在地震时易发生破坏的特点,提出外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法。介绍了3种抗震加固方法的施工工艺,尤其对3种加固材料与基础的锚固连接方式进行了详细介绍。(2)建立3种抗震加固方法的有限元模型及求解方法。基于ANSYS有限元分析软件,研究模型桥墩加固前、后的承载能力、位移延性以及塑性区的分布规律。讨论加固材料、墩底锚固措施及加固高度等因素的影响。比较不同加固方法的加固效果。建立采用外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法的三维有限元分析模型,进行桥墩水平力–位移关系的全过程分析。计算结果表明:随着加固高度的增加,破坏模式发生改变,塑性区的分布区域发生上移。采用墩底锚固措施的加固方法可以大幅度提高桥墩的承载能力和变形能力。有限元分析结果为桥墩的抗震加固参数及锚固方式的确定提供了理论依据。(3)基于相似原理,设计、制作6组(共计23个模型)具有不同配筋率的桥墩试验模型。采用3种加固方法对受损后的模型桥墩进行抗震加固。采用拟静力试验方法研究加固前、后模型桥墩的抗震性能。获得了加固前、后的模型桥墩在反复水平力作用下的滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力及破坏模式。根据试验结果可知:对于碳纤维布和钢板加固,加固后桥墩的破坏形态由脆性破坏转变为延性破坏。加固后模型的滞回面积增大,滞回性能得到改善,耗能能力及塑性变形能力提高。加固后桥墩的承载能力得到大幅度提高。开裂荷载、极限承载力及延性提高了2~3倍。钢板加固桥墩的滞回曲线具有滑移及捏缩三线性恢复力模型的特性。对于外包混凝土加固,加固后桥墩的开裂破坏位置上移至未加固部分,但破坏形态仍属于少筋混凝土结构的脆性破坏。加固后桥墩的整体刚度明显增加,承载能力提高了2~3倍。加固后滞回特性得到部分改善,但是滞回环仍然较瘦,其耗能作用仍较差。对于全墩身外包混凝土加固,由于配筋率和配箍率都明显增加,加固后桥墩的承载力及延性明显提高。对比3种加固方法的试验结果可知:在增加桥墩刚度方面,外包混凝土及钢板加固法要优于碳纤维布加固法;在增加桥墩延性方面,外包钢板及碳纤维布加固法要优于外包混凝土加固法。(4)理论分析及试验结果都可以看出,3种抗震加固方法均能够取得明显的加固效果。(5)提出3种加固材料与基础之间的锚固连接方法,对加固前、后模型桥墩的抗震性能及加固效果进行对比分析,并通过模型试验验证了3种加固方法及连接锚固方法的有效性和可行性。(6)研究桥墩加固后抗震能力的评估方法。在有限元分析和模型试验的基础上,建立加固桥墩能力曲线的简化方法。依据等超越概率的抗震设防准则,根据既有铁路桥墩的剩余服役期限,提出考虑服役期影响的地震作用调整系数对弹性需求谱的折减方法,建立考虑加固后桥墩位移延性的非弹性需求谱曲线。给出加固后铁路重力式桥墩的抗震性能指标及其限值。提出抗震加固后重力式桥墩的抗震能力简化评估方法和评估流程,并以一抗震能力不足的铁路重力式桥墩为例进行了抗震能力评估。