桩基冲刷桥墩抗震性能试验研究外文翻译资料

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桩基冲刷桥墩抗震性能试验研究

概要

本研究通过双轴层流剪切盒的试验来研究冲刷桥梁模型桩基础的抗震性能和与土层结构相互作用。桩基础桥墩模型由代表上层建筑集中质量，钢铁码头，以及由单一的铝一堆干燥石英砂中支持的基础上。桩的一端固定在剪切框底部以模拟该桩被嵌在岩石的牢固层的情况。桥墩模型进行单向震动，包括白噪声和地震记录。在不同的冲刷过的条件下讨论桩基桥墩模型的性能。研究发现桩的时刻需求随着冲刷深度的加深而增长，桥墩的弯矩要求却逐渐缩小，这种转变可能诱发桥梁结构从桩底开始失效。在一定程度上冲刷桩基抗震需求可能会被低估和忽视。当使用SSI评估系统阻尼比率，即使土壤粘性阻尼的贡献发生变化系统响应可能不显著改变。

关键词：桥梁;桩基础;精练;土 - 结构相互作用;抗震性能

介绍

过水桥通常遭受洪灾期间局部冲刷，导致桥梁基础的暴露，如图1 [1]。发生冲刷后桥墩周围和基床被侵蚀而留下的基础设施，如果桥梁墩台在不安全的情况明显的生命损失有可能发生崩溃的危险。在不同的条件下，河面上大桥桥墩冲刷由一般冲、冲刷收缩和局部冲刷组成的。局部冲刷是最为关键的，这通常是由结构和河流流量之间的干扰造成的，它的特点是在桥墩桥台或河床形成冲刷坑。

桥梁基桩的曝光可能会导致桥梁基础发生倾斜，并在水流作用下产生损伤[5-7]。此外，基桩的曝光会影响桥梁的抗震性能，地震期间可能导致的结构崩溃。美国国家公路和运输官员协会（AASHTO 2012）建议根据AASHTO 10.7.3.6桩基础的设计应使设计后冲刷事件满足标称轴向和横向电阻 [8]。对于一般的没有冲刷桥梁抗震设计，，AASHTO容量设计原则要求弯曲铰接在码头上或在某些情况下弯曲铰链钻孔桩的桩排，固体壁包裹，在地面以下被保护的能力。它是通过确保墩上塑料的最大弯矩和剪力铰链来实现的，考虑超强弹性可以通过相邻的元素加以抵制[9]。

（1）西州桥（2月，1994年） （2）西州桥（2002年1月）

图1.暴露桥梁桩基础[1]。

相比这些由一个单一的危险触击经受后续极端事件（例如，洪水冲刷和地震）桩反而更加脆弱。然而，冲刷桥梁的抗震性能仍然没有得到很好的理解。近年来，随着实验技术的进步，土—结构相互作用（SSI）的实验成为许多研究的重点，其中包括了一系列在震动操作台[10-15]和离心机上[16-25]进行的测试试验 。威尔逊[11]和Boulanger[12]等人进行离心试验和液化土中桩前、后现场整治组研究。勃兰登堡等使用离心试验，研究了地震土 - 桩 - 结构交互作用，发现在土壤剖面显示运动的渐进扩增向上穿过土壤剖面深度的加速度。 [14]做桩饱和砂土的动态响应的离心试验，并发现，从不同的土壤层的横向载荷的方向被示出为依靠桩偏转相对于土壤的模式。

尽管有更多的实验晃动注重饱和土，土壤液化现象，桩土相互作用[17，19-24]，几个研究项目强调了在干燥的土壤结构性能表的研究。[16]进行的振动台试验研究位移传递功能和嵌入在干沙单桩应变谱。 [18]得出的结论是，如果上层建筑的固有周期比地面越大，运动力趋于的相位与惯性力，从提高抑制桩应力。 Goit和斋藤[25]研究了固定端的浮动倾斜桩基的动态行为土壤非线性的影响。斜桩群的模型嵌入在干砂，使之在桩帽水平横向荷载谐同。[26]进行的旗杆桩检测。单桩和由钢筋混凝土轴群桩均受到横向循环荷载调查群桩相互作用的影响。然而，作为一个准静态测试，旗杆桩测试不能解决在动态测试中，该问题例如更高的模式效应和多模式的耦合的问题。

有报道说，调查上层建筑与干土桩基抗震性能极少数振动台试验。此外，相关的研究活动都无法提供与桩基础冲刷桥梁的抗震能力进行全面和自信的评估。因此，需要更多的实验测试和数值模拟方法，精练后更好地了解桥梁的抗震性能的。在这项研究中，一系列的振动台试验的桥墩模型进行了桩基础调查下考虑SSI的多灾害事件桩基行为。在这项研究中获得的实验结果的有限元模拟是在平行正在进行。数值模拟结果和有限元模拟和实验结果之间的比较是在将来的论文准备。

实验方案

试样: 五种情景模式构建与对振动台试验桩基桥墩模型。沙子盒里面的桥墩模型如图2桥墩示意图所示.

图2.桩基桥墩模型

桩基础模型包含了代表桥梁上部集中质量，钢铁码头，以及由单一的铝一堆干燥石英砂中支持的基础上。

根据AASHTO 3.10 [8]，0.2和1.0秒被认为是用于桥梁短主周期和长主期间，分别。戈埃尔[27]原位测量，桥小学时期是0.26和0.65s之间。在检体的设计过程中，假定该模型桥的主周期为0.3秒，模型桥的桩基础的主周期中土壤为0.5秒，并且当经受改为0.2g加速度激励的桥墩保持弹性。模型桥墩横截面，长度和上层建筑的重量随后根据AASHTO 4.7.4.3.2设计.[8]最后墩的截面是几个试验和错误循环后测定，以适应模型结构所需要的固有周期和质量。

至于桩的设计中，根据在第8章FHWA 2011报告[28]，土 - 基础 - 结构相互作用影响，包括运动的相互作用（由基金会的存在的基础支持议案修改）和惯性的互动结构（修改运动由于地基的刚度）。考虑到结构的基础交互及基础与地面相互作用。惯性交互效应取决于基础和地震动的频率成分的基本周期。铝被选为由于它的灵活性和相对低的屈服强度模型桩的材料。此外，深基坑的设计应根据联邦公路管理局2011报告[28]第10章来模拟运动的互动效应。模型桩的横截面和长度为依据的假设是，桩长度超过桩直径之比大于23时，桩被嵌入在土壤样品，其相对密度为50％，和桩基保持弹性，当计算出的该模型系统受到改为0.2g的加速度激励。

桩被由铝合金制成管，1300毫米长度，以55mm的外径和2.5mm的壁厚。桩基材料的拉伸试验结果表明弹性E = 73895MPa的模量和屈服强度Fy= 195.8MPa。基脚制成A36钢板，在大小，50毫米厚300times;300毫米和0.34KN重量。上面的钢板，有制成的A36钢管的码头上，在长度600毫米与48.6毫米的外径和2.5mm的壁厚。码头的拉伸试验结果表明弹性E = 183858MPa的模量和屈服强度Fy= 353.74MPa。代表上层建筑集中质量固定在码头上，是从A3​​6钢板，340毫米厚度，用的直径为350mm的顶部，2.65kN重量。应变计和加速度计被放置在不同的位置来测量沿桩和码头弯矩和加速度。桩基固定在剪切框底部以模拟嵌入在牢固地层的桩基础的条件。 A型的来自越南白色清洁硅砂在试验中使用[29]。的最大和最小的单位重量为16.57和14.51kN /立方米，分别。在干燥的沙子样品采用强夯法在五层模型桩及仪器在剪切框的位置后准备。在每一层，一个指定体重的砂被下雨下到剪切盒，然后压实至一个预定的高度，以获得相对密度为约50％，如表Ⅰ所示这50％的相对密度靶向介质密实砂的标本[19]。五个是分别在表面层和底层。砂土试样的大小是在平面1880毫米times;1880毫米和大致1300毫米高度振动台测试之前。基础板的海拔1300毫米剪切盒底部上方。有五个不同砂的高度，也就是1300，1285，1135，970，和0毫米，如示于图3，这些测试案例被指定为SBF-O-，SBF-NC，SBF-S3D，SBF- S6D和SBF-WS，分别为。 “SBF”是短期的土壤桥 - 地基相互作用标本; “O”，“NC-，S3D，S6D和WS表示测试用例与土壤接触的基础板，土壤之间的非接触，和基脚板的底部，在三倍冲刷深度桩的外径，分别精练深度在桩的外径6次，无土壤。用不同的砂的高度模型桥（从1300毫米到970毫米）进行了测试，以研究从基脚在桩序列的外径六次冲刷深度接触土壤冲刷的条件。测试用例SBF-NC，SBF-S3D和SBF-S6D砂试样通过从测试案例SBF-O-除去表面砂层到预先确定的高度来制备。整个砂土测试用例SBF-NC，SBF-S3D和SBF-S6D相对密度约为54.54％，56.13％，和48.91％之间。

测试设置

图4示意性示出了双轴层流剪切框，它是由滑动帧的15层。各滑动层由两个嵌套的框架，内框架（1880毫米times;1880毫米）和外框架（1940毫米times;2340毫米）的。两个内厚度为30mm到80mm的高度为除最上层，它有100毫米的高度的所有层由铝合金制成的。这些15帧的各层分别支持周边刚性钢壁为20mm的相邻层之间的间隙上。 1880mmtimes;1880mmtimes;1520mm的砂试样可以放置在内框架内。一个2mm厚的硅薄膜放在剪切框内土壤样本提供一个防水容器中。

图3.试样

（a）平面图 （b）侧视图

图4.双轴层流剪切盒[29]的原理图

由滑动导轨和支承块，而不垂直运动以提供几乎无摩擦的水平运动。每个外框架通过建立在所述外刚性壁的两个相对侧的滑动导轨支承。与刚性壁上独立支撑内，外的帧的这15个嵌套层，在每个深度的土壤可以在水平面内多方向移动而不扭转。在双轴晃动，装载和土壤运动是在两个（X和Y）轴的水平面的多方向，而且它们也随时间改变。因此，振动台试验能更好地模拟原位多向地震荷载对土壤内的结构。

调查不同精练条件下的结构和土壤的行为，一系列的振动台试验进行的。图5示出在模型上试样的仪器的布局。期间在集中质量，基础，和刚性基体的中心的测试，加速度和位移的记录。测量在对桩码头和各级应变和加速度。桩加速答复在海拔每相隔大约300mm测量。在40，340，640，840，990，1070 1150 1200，和1250毫米沿桩的高度进行测定桩的弯曲应变。在50测定该墩的弯曲应变，100，150，和200毫米沿墩的高度。此外，在层流剪切框的不同深度的帧的运动进行记录，通过使用磁致伸缩式线性位移传感器和加速度计来评估砂土试样的响应。的位移传感器和加速度计在350，450，550，650，750，850，950，1050，1150，和1250毫米安装同帧高度。每次试验后的砂表面的高度被记录来计算砂土试样的沉降和密度.

（a）测试设置 （b）仪器仪表布局（单位：mm）

图5:振动台及仪器文本结构

测试协议

五个测试方案计划在测试协议，这是SBF-O，SBF-NC，SBF-S3D，SBF-S6D和SBF-WS。这个实验计划容纳一共有35动态激励，其中包括18白噪声和17增加强度的地震地面运动。表II和图6显示了振动台试验的输入运动。

在振动台试验中，首先在模型上进行无砂（SBF-WS）通过使用0.03和0.05克白噪声评价结构动态特性。继SBF-WS标本SBF-O，SBF-NC，SBF-S3D和SBF-S6D下单向地震动进行了测试。白噪声也被用来确定每个样品的动态属性。

数据采集​​的采样率为200Hz的所有试验.输入地震动包括1940ElCentro地震（图6（a）条）和1999Chi-Chiearthquake（TCU068）（如图6（b））。地震地面运动的反应谱的显示在图中分别为7和8。在图6,7，和8中，输入运动从刚性基片上的表振荡测量。每强震模拟试验（即，PGA = 0.2克）后，白噪声的加速度在X方向和Y方向进行跟踪的模型和砂的动态特性的变化。

实验观察

系统频率

系统识别首先被进行，以评估与桩基础桥墩模型的动态特性。通过采用刚性基础运动作为输入基准[30]计算墩的顶部集中质量的加速度响应传递函数。下0.03克白噪声激励的传递函数的曲线在图9中绘制用于与在不同的测试用例桩基桥墩模型的集总质量中心。阻尼比由半功率带宽的方法[31]来确定。不同精练条件下的试验模型的初始动态性质通过使用0.03-0.05g白噪声激励确定为在表III和IV中列出。测试结果表明，该模型系统的自然频率改变精练深度变化。其平均一次频率分别为2.08，1.56，1.32，0.98，0.49Hz的标本SBF-O，SBF-NC，SBF-S3D，SBF-S6D

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