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非规则高墩桥梁抗震设计理论研究

作　者: 梁智垚
导　师: 李建中
学　校: 同济大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 非规则高墩桥梁高阶振型增量动力分析静力推倒分析性能指标弹塑性梁柱单元弹塑性纤维梁柱单元位移延性能力控制截面曲率
分类号: U442.55
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来，随着西部大开发战略的实施，我国西部地区规划并建成了大量的公路和铁路线路，而跨越深谷、沟壑、江河的高墩桥梁往往是这些线路中的控制性工程。西部山区高墩桥梁结构通常属于典型的非规则桥梁，超出了现有国内外抗震设计规范的应用范围，无现成规范可循。基于此背景，本文结合我国西部山区高墩桥梁的结构特点，对非规则高墩桥梁抗震设计理论及设计方法进行了系统的研究，试图揭示非规则高墩桥梁在地震作用下结构需求和能力的复杂性。综合起来，本文主要做了以下几部分工作：(1)在查阅大量国内外文献的基础上，对桥梁抗震设计理论、抗震设计性能指标体系、位移延性能力计算方法、高墩桥梁抗震分析方法等方面的发展研究现状进行了系统的回顾与总结。(2)采用弹塑性梁柱单元和弹塑性纤维梁柱单元分别建立墩柱的两种计算模型，深入讨论了墩柱在地震作用下，塑性铰形成、塑性区扩展以及塑性转角、墩顶位移等结构地震需求，针对弹塑性梁柱单元模型中不同单元划分数量对墩柱地震需求的影响进行了比较分析。在此基础上，探讨了两种计算模型在墩柱地震需求计算时的适用性。(3)将增量动力分析应用于墩柱位移延性能力的计算，采用静力推倒分析方法和增量动力分析方法研究了不同墩高墩柱的破坏过程和位移延性系数，分析了地震荷载频谱特性、高阶振型、墩身质量效应、材料非线性水平等因素对单墩位移延性能力的影响，证明了增量动力分析作为一种求解墩柱位移延性能力方法的可行性和可靠性，最后对高墩位移延性能力计算方法、合理的性能指标和力学意义进行了讨论。(4)采用三种不同墩高、不同结构形式的桥梁结构计算模型，以结构振型质量参与系数为参考量，分别采用静力推倒分析方法和增量动力分析方法沿其横桥向或纵桥向计算结构屈服位移和极限位移。通过两种方法计算结果的比较，讨论了不同结构形式桥梁的损伤破坏过程，以及墩身质量和高阶振型参与对非规则高墩桥墩身节点位移、截面曲率及临界状态侧向荷载或惯性力分布模式等方面的影响。基于上述分析，提出采用截面曲率代替结构位移作为性能指标以确定非规则高墩桥梁结构相应的损伤状态。(5)根据抗震设计性能指标体系的研究和上述研究成果，考虑到墩身质量和高阶振型参与的影响，提出采用基于控制截面曲率的抗震设计方法作为非规则高墩桥梁的抗震设计方法。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第1章绪论  14-30
  1.1 概述  14-16
  1.2 桥梁抗震理论的发展及相关理论  16-20
    1.2.1 基于强度的抗震设计理论  16-18
    1.2.2 基于位移的抗震设计理论  18-20
  1.3 抗震设计性能指标体系研究现状  20-22
  1.4 非规则高墩桥梁抗震设计相关问题及研究现状  22-25
    1.4.1 线弹性地震反应分析  23
    1.4.2 弹塑性地震反应及墩柱位移延性能力  23-24
    1.4.3 考虑高阶振型参与的MDOF体系地震需求修正方法  24-25
  1.5 本文的研究目的及主要工作  25-27
    1.5.1 本文的研究目的  25
    1.5.2 本文的主要研究内容  25-27
  本章参考文献  27-30
第2章非线性单元模拟及计算程序  30-47
  2.1 概述  30
  2.2 弹塑性梁柱单元(Nonliear Beam-Column Element)  30-32
    2.2.1 弹塑性梁柱单元基本假定  30-31
    2.2.2 单元塑性铰屈服面  31-32
  2.3 弹塑性纤维梁柱单元(Nonlinear Fiber Beam-Column Element)  32-38
    2.3.1 单元基本假定  33-34
    2.3.2 单元截面柔度矩阵  34-35
    2.3.3 局部坐标系下单元柔度矩阵  35-37
    2.3.4 整体坐标系下扭转项为弹性的单元刚度矩阵  37-38
    2.3.5 建立弹塑性纤维梁柱单元模型的基本步骤  38
  2.4 材料模型  38-42
    2.4.1 钢筋应力—应变关系  38-40
    2.4.2 混凝土应力—应变关系  40-42
  2.5 OpenSees程序介绍与使用  42-45
  本章参考文献  45-47
第3章桥梁高墩需求合理计算模型  47-65
  3.1 概述  47-48
    3.1.1 单质点单自由度体系  47
    3.1.2 多质点单振型体系  47-48
    3.1.3 多质点多振型体系  48
  3.2 计算模型及地震波记录  48-51
  3.3 桥梁墩柱地震需求分析  51-60
    3.3.1 中、低墩  51-55
    3.3.2 高墩  55-60
  3.4 高墩地震需求及配箍建议  60-62
    3.4.1 构件塑性转动需求与单元塑性转动需求  60-61
    3.4.2 高墩配箍建议  61-62
  3.5 小结  62-64
  本章参考文献  64-65
第4章高墩破坏过程和延性能力  65-95
  4.1 概述  65
  4.2 构件损伤指标体系及破坏准则  65-68
  4.3 位移延性能力计算方法  68-73
    4.3.1 公式法  68-69
    4.3.2 非线性静力推倒分析方法  69-71
    4.3.3 增量动力分析方法  71-73
  4.4 高墩计算模型  73-74
  4.5 高墩延性性能参数分析  74-89
    4.5.1 延性构件屈服状态和极限状态定义  74-76
    4.5.2 位移延性能力比较  76-79
    4.5.3 墩身节点位移时程  79-82
    4.5.4 曲率和变形沿墩身分布  82-86
    4.5.5 临界状态侧向荷载或惯性力分布模式  86-89
  4.6 高墩延性能力计算方法及性能指标  89-91
    4.6.1 高墩位移延性系数计算方法  89
    4.6.2 高墩性能指标讨论  89-91
  4.7 小结  91-93
  本章参考文献  93-95
第5章非规则高墩结构体系横桥向破坏过程和延性能力  95-120
  5.1 概述  95
  5.2 计算模型及地震记录  95-98
  5.3 非规则高墩结构体系横桥向参数分析  98-116
    5.3.1 结构体系横桥向破坏历程  100-103
    5.3.2 结构屈服位移和极限位移  103-106
    5.3.3 P2墩墩身节点位移时程  106-109
    5.3.4 临界状态侧向荷载或惯性力分布模式  109-110
    5.3.5 曲率和位移沿结构分布  110-116
  5.4 非规则高墩桥梁合理性能指标及监控位置  116-117
    5.4.1 非规则高墩桥梁性能指标选取及监控位置  116-117
    5.4.2 非规则高墩桥梁合理性能指标  117
  5.5 小结  117-119
  本章参考文献  119-120
第6章非规则高墩结构体系纵桥向破坏过程和延性能力  120-149
  6.1 概述  120-123
  6.2 非规则高墩结构体系纵桥向参数分析  123-142
    6.2.1 结构体系纵桥向破坏历程  123-126
    6.2.2 结构屈服位移和极限位移  126-130
    6.2.3 临界状态侧向荷载或惯性力分布模式  130-132
    6.2.4 墩柱曲率和位移沿墩高分布  132-138
    6.2.5 轴力与弯矩时程比较  138-142
  6.3 高墩桥梁延性需求与能力讨论  142-143
  6.4 基于控制截面曲率的非规则高墩桥梁抗震设计方法  143-146
    6.4.1 现有抗震设计方法的位移延性能力取值  143-144
    6.4.2 非规则高墩桥梁位移延性系数的力学意义  144
    6.4.3 基于控制截面曲率的抗震设计方法  144-146
  6.5 小结  146-148
  本章参考文献  148-149
第7章总结与展望  149-153
  7.1 本文主要工作  149-150
  7.2 本文主要结论  150-151
  7.3 进一步工作的方向  151-153
致谢  153-154
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  154

非规则高墩桥梁抗震设计理论研究

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