高速铁路轨道-桥梁系统抗震与减隔震性能

本书以科学研究和工程实践为导向，系统开展了高速铁路轨道-桥梁系统抗震及减隔震的理论分析、数值模拟和试验研究，探索了高速铁路抗震设计、减隔震设计中系列关键科学技术问题。主要内容包括高速铁路CRTS?Ⅱ型无砟轨道板地震损伤和破坏机理、圆端形中高墩抗震设计与参数分析、低矮圆端形实心墩和空心墩抗震试验与设计、弯曲破坏型圆端形桥墩的地震损伤指标、简支梁桥和连续梁桥体系的抗震性能和大比例振动台试验、双曲面球型减隔震支座剪力键水平承载力设计值、钢阻尼支座减隔震性能及组合减隔震体系合理参数取值等。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 高速铁路桥梁的特点及震害 1
1.1.1 高速铁路桥梁的特点 1
1.1.2 我国高速铁路所处地震带环境 1
1.1.3 地震引起的桥梁震害 2
1.2 高速铁路无砟轨道结构抗震性能 2
1.3 高速铁路桥梁墩柱抗震性能 4
1.3.1 圆端形实心墩 4
1.3.2 空心墩 5
1.4 高速铁路桥梁摩擦摆支座减隔震性能 7
1.4.1 单凹面摩擦摆支座 7
1.4.2 双凹面摩擦摆支座 9
1.4.3 双曲面球型减隔震支座 10
1.5 桥梁抗震试验方法 12
参考文献 14
第2章 高速铁路CRTS?Ⅱ型无砟轨道板抗震性能 21
2.1 概述 21
2.2 试验概述 21
2.2.1 试件设计 21
2.2.2 试验装置 23
2.2.3 加载制度及测点布置 24
2.3 无砟轨道板破坏形态 24
2.4 无砟轨道板抗震性能试验结果 26
2.5 无砟轨道板恢复力模型 34
2.5.1 理论骨架曲线模型 34
2.5.2 恢复力模型的滞回规则 37
2.6 本章小结 39
参考文献 39
第3章 高速铁路简支梁桥中高墩抗震性能 41
3.1 概述 41
3.2 圆端形实心墩试验概况 42
3.2.1 模型原型 42
3.2.2 试验设计 43
3.2.3 模型材料 44
3.2.4 加载方案 44
3.3 实心墩试验结果及分析 47
3.3.1 裂缝及破坏行为 47
3.3.2 滞回曲线 48
3.3.3 骨架曲线 50
3.3.4 延性 51
3.3.5 刚度退化特性 52
3.3.6 耗能性能 53
3.3.7 影响因素分析 55
3.4 圆端形空心墩试验概况 57
3.4.1 模型设计 57
3.4.2 模型制作 59
3.4.3 模型材料 60
3.4.4 加载方案 61
3.5 空心墩试验结果及分析 61
3.5.1 裂缝及破坏行为 61
3.5.2 滞回曲线 63
3.5.3 骨架曲线 64
3.5.4 延性 65
3.5.5 刚度退化特性 66
3.5.6 耗能性能 67
3.5.7 极差分析 68
3.6 纤维梁单元方程与求解 69
3.6.1 模拟方法 69
3.6.2 求解步骤 71
3.7 混凝土单轴材料本构 73
3.8 钢筋单轴材料本构 86
3.9 纤维梁柱单元法模拟实心墩 87
3.10 墩底钢筋黏结滑移的影响 91
3.11 圆端形实心墩类似试验模拟分析 95
3.12 纤维梁柱单元模拟空心墩 96
3.13 本章小结 101
参考文献 102
第4章 高速铁路圆端形中高墩抗震设计与参数分析 104
4.1 概述 104
4.2 模型介绍 105
4.2.1 桥梁参数介绍 105
4.2.2 数值分析模型 106
4.3 圆端形桥墩轴压比研究 107
4.3.1 实心墩模型N-M相关曲线 107
4.3.2 空心墩模型N-M相关曲线 108
4.3.3 地震作用下桥墩轴力分析 108
4.4 高速铁路桥墩等效塑性铰长度的研究 111
4.4.1 等效塑性铰长度的定义 111
4.4.2 已有等效塑性铰长度经验公式 112
4.4.3 骨架曲线比较与分析方法的确定 114
4.4.4 圆端形实心墩等效塑性铰长度参数分析 115
4.5 高速铁路桥墩抗震设计配筋的研究 118
4.5.1 桥墩纵筋率设计建议 118
4.5.2 桥墩箍筋设计研究 122
4.6 本章小结 126
参考文献 126
第5章 高速铁路圆端形矮墩抗震试验与设计 128
5.1 概述 128
5.2 低剪跨比实心墩横桥向试验概况 129
5.2.1 试验设计 129
5.2.2 模型材料 129
5.2.3 加载方案 130
5.3 实心墩横桥向试验结果及分析 131
5.3.1 裂缝及破坏行为 131
5.3.2 滞回曲线与骨架曲线 132
5.3.3 刚度退化特性 133
5.4 纤维梁单元法对圆端形桥墩横桥向的数值模拟 134
5.5 考虑弯曲剪切耦合作用的有限单元法模拟 134
5.5.1 修正压力场理论 136
5.5.2 扰动应力场模型 140
5.5.3 有限元模型单元的实现 143
5.5.4 基于扰动应力场模型对低剪跨比实心墩的模拟 146
5.6 剪切变形对不同墩高墩柱变形的影响 147
5.7 三维有限单元在圆端形桥墩中的应用 149
5.7.1 混凝土屈服面 150
5.7.2 混凝土塑性损伤模型 153
5.7.3 混凝土弥散裂缝模型 155
5.7.4 三维有限元分析与裂缝模拟 156
5.8 高速铁路桥墩横桥向抗剪承载力公式及抗剪评估研究 161
5.8.1 已有的抗剪承载力公式 161
5.8.2 抗剪承载力公式比较 165
5.8.3 桥墩模型抗剪承载力评估 166
5.8.4 高速铁路圆端形桥墩抗剪承载力公式 168
5.9 本章小结 170
参考文献 170
第6章 弯曲破坏型高速铁路圆端形桥墩的地震损伤指标 174
6.1 概述 174
6.2 既有损伤评估模型 174
6.3 有限元分析模型 178
6.3.1 纤维单元模型 178
6.3.2 材料模型 179
6.3.3 桥墩数值模型 180
6.3.4 低周疲劳特性的影响 181
6.3.5 模型验证 182
6.4 损伤指数和损伤程度的相关性分析 184
6.4.1 损伤指数计算规定 184
6.4.2 损伤指数比较 185
6.5 适用于高速铁路圆端形实心墩的双参数损伤指标 188
6.5.1 模型参数设置 188
6.5.2 修正的组合参数 189
6.5.3 损伤临界指标 193
6.5.4 试验验证 196
6.6 本章小结 199
参考文献 199
附录 202
第7章 地震作用下高速铁路简支梁桥拟动力试验 210
7.1 概述 210
7.2 试验概况 211
7.2.1 试验原型 211
7.2.2 试验设计 212
7.2.3 桥墩材料性能参数 214
7.3 试验方法 216
7.3.1 试验加载控制方法 216
7.3.2 拟动力试验的动力方程 217
7.3.3 试验加载装置 217
7.4 地震波选取和试验工况 218
7.4.1 地震波选取 218
7.4.2 试验工况 219
7.5 试验结果及分析 219
7.5.1 试验现象 219
7.5.2 工况1加载试验结果 221
7.5.3 工况2加载试验结果 230
7.6 本章小结 235
参考文献 235
第8章 采用双曲面球型减隔震支座的铁路简支梁桥振动台试验研究 237
8.1 概述 237
8.2 试验概况 238
8.2.1 工程背景 238
8.2.2 铁路简支梁桥原型 239
8.2.3 隔震与非隔震支座原型 242
8.2.4 桥梁原型与缩尺模型相似关系 244
8.2.5 简支梁缩尺模型 246
8.3 试验方法 247
8.3.1 加载系统 247
8.3.2 测量方案 248
8.3.3 试验工况 249
8.4 试验现象及分析 253
8.4.1 桥墩破坏形态 253
8.4.2 支座剪力键水平承载力设计值 256
8.4.3 中墩上支座位移 257
8.4.4 中墩墩底纵筋应变 260
8.5 本章小结 264
参考文献 265
第9章 采用双曲面球型减隔震支座的铁路简支梁桥数值模拟方法可行性分析 267
9.1 概述 267
9.2 桥梁结构参数及建模 267
9.2.1 主梁 268
9.2.2 桥墩 269
9.2.3 其他桥梁结构 276
9.3 隔震和非隔震体系的支座力学模型 276
9.4 铁路简支梁桥模型缩尺方案可行性分析 282
9.5 铁路简支梁桥数值模拟方法可行性分析 284
9.5.1 缩尺数值模型与缩尺试验模型动力特性对比 284
9.5.2 缩尺数值模型与缩尺试验模型地震响应对比 285
9.6 本章小结 288
参考文献 289
第10章 双曲面球型减隔震支座的剪力键水平承载力设计值研究 291
10.1 概述 291
10.2 支座剪力键的数值模拟和试验验证 291
10.2.1 支座剪力键的数值模拟 291
10.2.2 支座剪力键数值模拟方案可行性分析 294
10.3 支座剪力键水平承载力对隔震桥梁地震响应的影响 299
10.4 墩高对支座剪力键水平承载力设计值的影响 301
10.4.1 基于规范反应谱的地震动输入选取 302
10.4.2 不同墩高条件下支座剪力键水平承载力设计值分析 306
10.5 本章小结 309
参考文献 309
第11章 采用钢阻尼支座的铁路简支梁桥振动台试验 312
11.1 概述 312
11.2 振动台模型设计及试验方案 312
11.2.1 钢阻尼支座设计 312
11.2.2 桥梁模型设计 314
11.2.3 模型结构施工及安装 322
11.2.4 试验方案制定 325
11.3 振动台试验过程及结果分析 337
11.3.1 试验过程 337
11.3.2 墩底应变对比分析 341
11.3.3 墩顶及支座位移对比分析 354
11.3.4 墩顶及梁端加速度对比分析 373
11.3.5 减隔震性能评价 386
11.4 本章小结 390
参考文献 391
第12章 采用钢阻尼支座的铁路桥梁地震响应影响参数分析 392
12.1 概述 392
12.2 减震榫及钢阻尼支座有限元模型 392
12.2.1 减震榫有限元模型 392
12.2.2 钢阻尼支座有限元模型 394
12.3 采用钢阻尼支座的铁路桥梁模型非线性时程分析 395
12.3.1 全桥有限元模型 395
12.3.2 地震动输入 398
12.4 试验结果与有限元模拟结果对比分析 399
12.4.1 墩底应变对比分析 399
12.4.2 支座位移对比分析 402
12.4.3 梁端加速度对比分析 405
12.4.4 有限元模拟结果与试验结果差异分析 408
12.5 钢阻尼支座减隔震性能的影响因素分析 409
12.5.1 减震榫半径的影响 409
12.5.2 减震榫材料屈服强度的影响 417
12.5.3 中间座板和下座板间摩擦系数的影响 422
12.5.4 钢阻尼支座内部连接方式的影响 424
12.6 本章小结 426
参考文献 427
第13章 采用组合减隔震的铁路简支梁桥振动台试验 428
13.1 概述 428
13.2 工程背景 429
13.3 试验简介与设计 430
13.3.1 铁路简支梁桥原型选择 430
13.3.2 铁路简支梁桥振动台试验模型相似关系 432
13.3.3 铁路简支梁桥振动台试验地震动输入选择 433
13.3.4 铁路简支梁桥振动台试验地震激励加载方案 438
13.3.5 铁路简支梁桥振动台试验模型 440
13.4 9度近断层地震动下铁路简支梁桥振动台试验结果 447
13.4.1 顺桥向地震动输入 447
13.4.2 顺桥向+竖向地震动输入 451
13.5 铁路简支梁桥足尺与缩尺有限元模型 455
13.5.1 桥梁上部结构的模拟 456
13.5.2 桥墩结构的模拟 456
13.5.3 边界条件及全桥有限元模型 457
13.6 铁路简支梁桥结构动力特性 459
13.6.1 原型与缩尺有限元模型动力特性对比 459
13.6.2 缩尺有限元模型与振动台试验模型动力特性对比 461
13.7 铁路简支梁桥有限元分析模型验证 464
13.8 本章小结 467
参考文献 468
第14章 采用组合减隔震的铁路简支梁桥地震响应影响参数分析 470
14.1 概述 470
14.2 铁路简支梁桥地震响应量化指标 470
14.3 双曲面球型支座摩擦系数对铁路简支梁桥地震响应的影响 471
14.3.1 摩擦系数对桥墩内力的影响 472
14.3.2 摩擦系数对桥梁结构位移的影响 473
14.3.3 摩擦系数对主梁横向加速度的影响 474
14.3.4 摩擦系数对支座滞回耗能特性的影响 475
14.4 双曲面球型支座等效半径对铁路简支梁桥地震响应的影响 477
14.4.1 支座等效半径对桥墩内力的影响 477
14.4.2 支座等效半径对桥梁结构位移的影响 479
14.5 剪力键剪断力对铁路简支梁桥地震响应的影响 480
14.5.1 剪力键剪断力设计 481
14.5.2 剪力键剪断力对桥墩内力的影响 482
14.5.3 剪力键剪断力对桥梁结构位移的影响 484
14.5.4 剪力键剪断力对主梁横向加速度的影响 485
14.6 减震榫间隙对铁路简支梁桥地震响应的影响 487
14.6.1 减震榫间隙对桥墩内力的影响 487
14.6.2 减震榫间隙对桥梁结构位移的影响 489
14.6.3 减震榫间隙对主梁横向加速度的影响 490
14.7 减震榫屈服力对铁路简支梁桥地震响应的影响 491
14.7.1 减震榫屈服力对桥墩内力的影响 491
14.7.2 减震榫屈服力对桥梁结构位移的影响 493
14.8 防落梁装置间隙对铁路简支梁桥地震响应的影响 494
14.8.1 防落梁装置间隙对桥墩内力的影响 494
14.8.2 防落梁装置间隙对桥梁结构位移的影响 497
14.8.3 防落梁装置间隙对其自身剪力的影响 498
14.9 组合减隔震体系的合理参数取值 499
14.10 本章小结 500
参考文献 501
第15章 高速铁路连续梁桥振动台试验及地震损伤特征 502
15.1 概述 502
15.2 高速铁路连续梁桥振动台试验概况 503
15.2.1 全桥原型 503
15.2.2 全桥模型 506
15.2.3 试验模型配重 509
15.2.4 振动台试验工况 510
15.2.5 测试方法及数据采集点位布置 512
15.3 高速铁路连续梁桥振动台试验结果及分析 515
15.3.1 桥墩频率变化 515
15.3.2 桥墩顶部加速度响应 516
15.3.3 桥墩底部应变响应 518
15.3.4 支座位移响应 520
15.4 地震响应的其他影响因素分析 523
15.4.1 多维地震输入的影响 523
15.4.2 CRTS Ⅱ型无砟轨道的影响 526
15.5 高速铁路连续梁桥地震损伤评估 528
15.5.1 全桥有限元模型 528
15.5.2 全桥有限元模型验证 530
15.5.3 全桥地震损伤评估 531
15.6 高速铁路连续梁桥地震损伤特征 539
15.7 本章小结 541
参考文献 542