浅谈静动荷载作用下铁路桥梁桩基的动力特性研究

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1、中南大学博士学位论文静动荷载作用下铁路桥梁桩基的动力特性研究姓名：律文田申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：王永和;冷伍明20050501摘要随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的提高，人们对公路、铁路等交通行业提出了更高的要求。对于铁路行业，发展高速铁路已提上议事日程。由于新建铁路的桥梁绝大部分采用的是桩基础，因此，人们越来越关注快速列车荷载作用下桥梁桩基础的动力特性。然而，列车动荷载与一般动力机器基础的动荷载和地震荷载存在着显著的差异，并且缺乏这方面的研究，更少见到列车荷载作用下桩的足尺试验方面的报道。所以，研究快速列车荷载作用下桥梁桩基础的动力特性，具有重要的理

2、论研究价值和工程实际意义。本文基于既有铁路桥墩桩基础动力测试和京沪高速软土地区桩基的动静载试验，采用理论分析、现场试验、数值模拟相结合的研究方法，取得了如下主要研究成果和结论：(1)建立了层状土中考虑桩端和桩侧土作用的有限长桩在任意激励荷载作用下桩土共同作用的数学模型；利用数学上的积分变换求出动力荷载作用下桩顶速度时域响应的半解析解。然后运用MATLAB6．5编制了相应的计算程序，利用编制的程序分析了瞬态半正弦激励和稳态荷载条件下，桩的材料参数和土性参数的变化对基桩频域和时域响应的影响。(2)对桩的现场大吨位静动载试验技术开展了研究，提出了一套新的预制桩和灌注桩侧向土压力盒

3、、预制桩钢筋计的埋设装置和工艺。特别是对桩的现场大吨位静动载试验技术开展了深入研究，提出了一套桩的大吨位静动载耦合试验装置，为基桩在静载作用下，进行大吨位动载试验解决了一个关键性试验技术难题。(3)采用了等效线性模型来模拟土体材料的非线性，并考虑桩的材料阻尼以及桩土接触界面的状态非线性对动力响应的影响。借助大型有限元分析软件ANSYS，进行二次开发，建立了桩土动力相互作用的三维模型。研究了快速铁路列车动力循环荷载作用下基桩的动力特性，并分析了土性参数和动荷载参数对动力特性的影响。(4)基于悬臂杆的第一白振频率计算原理，建立铁路桥墩桩基础的振动计算模型；考虑群桩基础的实际情况

4、，将桥墩、承台、群桩作为一个空间整体进行三维分析，并编制了群桩基础桥墩三维矩阵分析程序。运用此程序分析了京沪高速铁路昆山试验段内桥墩桩基础体系的动力特性。(5)基于既有铁路桥墩桩基础基项动力测试，研究了桥梁基顶的主要动力特性，即：动力幅值范围、频率大小以及与列车速度的关系等。解决了模拟高速列车荷载作用下，进行单桩静动载试验的控制参数的问题。(6)在拟建京沪高速铁路软土地基路桥试验段，开展了模拟高速列车荷载作用下的单桩静动载试验，获得了快速交通荷载(高速列车模拟荷载)作用下基桩的试验数据。基于基桩的动载试验数据，研究了静动荷载作用下桩的侧摩阻力、轴力、循环荷载作用下桩项累积位

5、移(沉降)、动位移幅值以及它们与振动次数的关系，重点分析了基桩的振动特性和动力荷载传递机理。(7)结合试验数据，研究了静荷载作用下预应力混凝土管桩的受力特性秘荷载传递机理。建立了静荷载作用下的桩土三维分析模型，在考虑土的非线性和桩土接触界面状态非线性的情况下，对影响预制管桩的荷载传递机理的因素进行了分析。关键词高速铁路，桩，大吨位静动载耦合试验技术，静动载耦合试验，动力特性，三维有限单元法nWiththerapiddevelopmentofeconomyandtheimprovementofpeople’Slife，therequirementforroadandrailw

6、aytransportationisgettinghigher．Astorailwaytransportation，buildinghighspeedrailwayhasbeenputontheagenda．Mostofthefoundationsofbridgesonthenewly-builtrailwaysarepilefoundations，SOmoreandmoreattentionhasbeengiventothedynamiccharacteristicsofthepilefoundationsubjectedtothehighspeedtrainload．H

7、owever,railwaydynamicloadisremarkablydifferentfromdynamicloadofthegeneralmachineryfoundationandtheearthquakeload．therehavebeenfewstudiesonthistopicatpresent，letalonethereportaboutthefieldtestoffullsizepilefoundationunderthetra自ficlea(1S．Therefore．thereisveryim