多年冻土区桥梁高桩承台桩基础非线性抗震设计方法研究

In order to reduce the adverse effects of frost heave force on the pile foundation of bridge, a large number of high-rise cap pile foundations are used for the railway bridge at Permafrost regions of Qinghai-Tibet Plateau. Due to the existence of free length of the pile and permafrost degradation of the strength resulted from temperature rise, pile foundations is relatively weak and more prone to damage compared to seismic performance of piers under the earthquake. Therefore, the seismic performance of pile foundation will become a key parts in the seismic design of bridges in permafrost regions.First of all, this subject intended to use low-temperature triaxial testing machine to test kinetic parameters of the undisturbed permafrost.Then the relation between ultimate bearing capacity, hysteretic behavior, failure modes of high-rise cap pile foundations and free length of the pile is researched by pseudo-static experiments that horizontal cyclic loads is placed at the top of the pier under the condition of common foundation soil, further the finite element model and calculation method which can be consistent with the experimental results will be proposed. On the basis of above research, seismic weak location of high-rise cap pile foundations under earthquake is studied at the permafrost regions by using numerical simulation combined with theoretical analysis. Distribution law of bending moment and curvature is obtained,reasonable ratio of reinforcement and reinforcement range is determined, and nonlinear seismic design method of high-rise cap pile foundations is further presented at the permafrost regions.

为了减少冻胀力对桥梁桩基础的不利作用，青藏高原多年冻土区铁路桥梁大量采用了"高桩承台桩基础"的结构形式。由于自由桩长的存在以及温度升高导致冻土强度的退化等不利因素，与墩身相比桩基础的抗震性能相对较为薄弱，地震时较容易发生破坏，因此桩基础的抗震性能将成为青藏高原多年冻土区桥梁抗震设计的关键部位。本课题拟采用低温三轴试验机研究青藏铁路原状冻土的动力学参数。通过拟静力试验，研究普通地基土条件下自由桩长与高桩承台群桩基础在水平荷载作用下的破坏模式、极限承载力及滞回特性的关系，并提出能与试验结果相吻合的有限元模型及计算方法。最后在上述研究基础上，采用数值模拟与理论分析相结合的方法进一步研究多年冻土区桥梁高桩承台桩基础在地震作用下的抗震薄弱部位，得出桩身的弯矩及曲率分布规律，确定桩身合理的配筋率以及配筋范围，提出多年冻土区桥梁高桩承台桩基的非线性抗震设计方法。

为了减少冻胀力对桥梁桩基础的不利作用，青藏高原多年冻土区铁路桥梁大量采用了"高桩承台桩基础"的结构形式。由于自由桩长的存在以及温度升高导致冻土强度的退化等不利因素，地震时桩基础易发生破坏，因此桩基础将成为青藏高原多年冻土区桥梁抗震设计的关键部位。本课题采用低温三轴试验机研究青藏铁路原状冻土的动力学参数。通过拟静力试验，研究普通地基土条件下自由桩长与高桩承台群桩基础在水平荷载作用下的破坏模式、极限承载力及滞回特性的关系，并提出考虑桩土非线性效应的有限元模型。研究多年冻土区桥梁高桩承台桩基础在的非线性抗震设计方法和合理评价指标。研究成果可为多年冻土区桥梁桩基础的抗震设计提供参考。主要研究结论如下：.（1）青藏铁路原状冻土低温三轴试结果表明：随着频率的增加，动弹性模量增大，阻尼比减小。随着围压的增加，动弹性模量增大，阻尼比减小。随着温度的降低，动弹性模量增大，阻尼比减小。.（2）桩基础拟静力试验结果表明：桩身受力薄弱部位距桩顶2~5倍桩径范围内。滞回曲线形状由梭形逐渐过渡为弓形，有捏拢现象。.（3）提出了群桩基础静力非线性模型，分析得到的骨架曲线与试验实测骨架曲线基本吻合，提出的PMM塑性铰模型可模拟桩身在变轴力受力状态下的屈服机制。.（4）随着冻融层厚加大及冻土层含冰量减少，桥墩自振周期变长，墩顶位移和桩顶位移逐渐增加，桩身最大弯矩及剪力发生位置下移。当冻土含冰量降低时，桩顶位移增大，地面以下桩身最大弯矩与剪力降低较明显。.（5）提出了采用变形能力及纤维应变双重指标控制桩基础的损伤程度。通过控制桩身钢筋及混凝土纤维应变大小限制桩构件的损伤水平，通过墩顶位移延性系数控制桩基础整体体系的塑性反应程度，为定量评价桩基础的抗震性能提供了基本思路及方法。.（6）在侧向荷载作用下，冻土地基桩基础在地面以下桩身及桩顶位置均可能形成塑性铰，为其抗震薄弱部位。地震反应结果表明，考虑桩构件及地基土的非线性影响后，桩身及墩身的结构内力将大大减小，但墩顶位移将明显增大。