高速铁路桥梁桩基础的破坏机理及非线性抗震性能研究

由于高速铁路列车运行中对于平稳性的严格要求，高速铁路桥梁多采用刚度很大的重力式桥墩。地震时墩身一般不会发生破坏，而桩基础与墩身相比较为薄弱，强震时容易进入塑性状态。因此，强震时桩基础的设计就成为高速铁路桥梁抗震设计的关键。本课题拟在试验及理论分析基础上开展强震下高速铁路桥梁桩基础的破坏机理及抗震设计方法研究。首先，采用模型试验方法研究高速铁路桥梁桩基础在水平荷载作用下的极限承载力、滞回特性及破坏模式，提出桩基础在地震作用下的破坏模式类型及其判别方法；然后，采用有限元数值分析方法，研究桩基础的非线性受力性能，提出能与试验相吻合的有限元分析模型及计算方法；最后，研究高速铁路桥梁桩基础在强震下的抗震设计方法，提出考虑土-桩-上部结构相互作用的非线性抗震分析模型及抗震设计方法，为高速铁路桥梁桩基础的非线性抗震设计提供理论基础。

本课题以高速铁路及普通铁路简支梁桥墩为原型，进行了大比例尺拟静力试验研究，得到了水平反复荷载作用下桩基础的破坏形态、塑性铰位置、承载能力、骨架曲线及滞回特性。在试验研究的基础上，提出了群桩基础静力非线性计算模型。通过一系列的静力推倒分析，研究总结了影响群桩基础水平位移延性及极限承载能力的主要参数。针对重力式桥墩桩基础，提出了考虑桩—土三种相互作用效应的需求谱构建方法，并给出了桩基础桥墩抗震性能评估的简化方法。研究了地基土的塑性变形以及桩—土界面间产生的分离、间隙效应，提出了双向（或单向）仅受压的三线性滑移弹簧模型，建立了能够考虑桩身构件变轴力影响的群桩基础动力非线性分析模型。研究了非线性集中支撑弹簧简化分析模型对桩基础桥墩地震反应分析的适用性。. 通过上述研究，本项目完成了项目计划书的全部内容，达到了预期研究目标。取得的主要成果如下：. 1、拟静力试验研究结果表明：重力式桩基桥墩的骨架曲线可简化为双线性模型，可采用克拉夫（Clough）退化双线性模型模拟桩基础的滞回特性。试验得到的等效粘滞阻尼比 在0.10～0.18之间。. 2、提出了群桩基础静力非线性计算模型。在该模型中采用PMM铰模拟变轴力作用下桩身的弹塑性，分别采用API规范给出的p-y曲线、t-z曲线以及q-z曲线模拟地基土的塑性，数值分析结果与模型桩的试验结果吻合较好。. 3、桩基础非线性性能的影响参数分析结果表明：随着墩高的增加，桩身的塑性铰分布逐渐上移。即对于高墩，桩顶为易损部位，而矮墩则桩顶以下某一部位为易损部位。. 4、提出了采用桩身损伤水平以及桩基础整体位移延性水平两项指标控制桩基础的抗震性能，即通过控制桩身钢筋及混凝土应变来限制桩身的损伤水平，通过墩顶位移延性系数限值控制桩基础（包括桩身及地基土）的塑性反应程度。. 5、提出了考虑桩—土界面分离滑移效应的群桩基础动力非线性分析模型。分析结果表明：采用三线性滑移模型可以较好地模拟地基土进入塑性后的受力状态。对于群桩基础而言，地基土的耗能能力主要源于桩侧地基土水平土弹簧的耗能能力。考虑地基土的塑性耗能作用，墩身内力显著降低，但墩顶位移将明显增大。. 6、提出了非线性集中支撑弹簧简化分析模型，通过与群桩基础动力非线性分析模型的分析结果进行比较，表明该模型可用于桩基础的抗震能力评估中。