整体式斜交桥台-桩-土体系拟静力试验研究

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整体桥为采用整体式桥台的桥梁体系,其中主梁与桥台可浇筑成整体,避免在桥头设置桥面伸缩缝及支座,显著降低了施工尤其是运营维护成本,在国内外得到了越来越广泛的推广及应用。将整体式桥台引入斜交桥中,形成整体式斜交桥,可有效避免斜交桥面板及主梁在地震作用下的扭转落梁现象,但亦会产生复杂的桥台-桩-土相互作用,亟需进一步深入研究。因此,以某整体式斜交桥为原型,设计制作了正交桥台-H型钢桩及斜交桥台-H型钢桩试件,并开展了正交桥台-H型钢桩-土体系和斜交桥台-H型钢桩-土体系拟静力试验研究。采用ABAQUS有限元软件建立并验证了正交及斜交桥台-H型钢桩-土体系的数值模型,并进行了一系列参数分析。研究主要结论如下:(1)斜交桥台及正交桥台-H型钢桩试件的滞回曲线均为梭形,等效粘滞阻尼比分别为0.248和0.246,说明该体系的耗能能力及抗震性能较高。斜交桥台试件的峰值承载力为正交桥台试件的1.58倍。斜交桥台的台后土压力呈不均匀分布,试件反力与加载方向存在偏心,桥台侧面会受到摩擦,可能对体系的承载力造成一定影响。(2)正向加载时,斜交桥台台后土压力随桥台加载位移的增加先增大后减小,在加载位移为0.017H(H为桥台高度)时达到最大值。随着加载位移的增大,台后土压力沿埋深方向由三角形分布转变为双折线分布,沿桥台宽度方向由抛物线分布转变为三折线分布。由于现有台后土压力理论未考虑往复荷载作用或斜交角的影响,现有理论计算值与试验值有较大出入。本文以黄-林法为参考,在试验数据的基础上修正了黄-林法土压力系数计算公式。负向加载时,台后土压力始终略小于静止土压力,可按静止土压力计算。(3)在往复荷载作用下,整体式桥台的台后土出现明显的流动现象,台后砂土不断流向桩顶周围,从而造成桩身变形呈“蛇形”,这与现有桩基计算理论中假定的抛物线形桩身变形不同,因此现有计算理论不适用于整体式桥台的桩基。(4)斜交桥台-H型钢桩试件中,加载方向与H型钢桩强弱轴各呈45°夹角,因此翼缘和腹板均受到土压力作用。沿埋深0.6m(5.8B)左右区域内,翼缘和腹板的土压力均呈先增大后减小的趋势。桩弹性状态下,沿正向加载时,随着加载位移的增大,腹板土压力先增大后减小,翼缘土压力随着加载位移的增大而增大。沿负向加载时,腹板和翼缘土压力均随着加载位移的增大而增大。(5)正交桥台-H型钢桩试件中,H型钢桩仅受到沿弱轴的弯矩作用。斜交桥台-H型钢桩试件中,H型钢桩同时受到沿强轴及弱轴的弯矩作用,其合力矩强轴弯矩的夹角为17°~34°。(6)有限元分析结果表明,桥台斜交角度对台后土反力大小和H型钢桩最大水平变形影响显著,对最大合力矩没有影响;砂土密实度对台后土反力大小和H型钢桩最大合力矩影响显著,但对钢桩最大水平变形没有影响;H型钢桩朝向对其最大水平变形没有影响,对最大合力矩的大小和位置及最大正应力影响显著。
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