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钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究及数值分析

作　者: 李贵乾
导　师: 郑罡
学　校: 重庆交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 钢筋混凝土桥墩 拟静力正交试验 塑性铰长度 等效刚度 OpenSees 纤维单元模型 数值分析
分类号: U442.55
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 351次
引　用: 7次
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内容摘要


桥梁结构是交通路网的重要组成部分,认识桥梁在地震过程中的抗震性能是极其重要的。尤其在震后救灾时,桥梁更是生命线紧急通行能力的关键环节。尽管其他桥梁构件的损坏可能带来经济上的损失和生命安全的威胁,而钢筋混凝土桥墩则通常是桥梁结构中最易受损的构件,桥墩的破坏可能导致灾难性的后果。近几十年的桥梁震害促进了桥梁抗震技术的快速发展,世界上主要的桥梁抗震规范己采用延性设计,基于性态的抗震设计方法成为目前的研究热点和发展趋势。对桥墩非线性地震响应、破坏机理的深入了解和把握是桥梁性态设计的关键所在。本文的研究目的是对钢筋混凝土桥墩在地震荷载作用下的抗震性能、延性破坏机理进行系统、深入的研究,并建立可靠、有效的钢筋混凝土桥墩拟静力试验有限元数值分析模型,为保证我国桥梁抗震安全提供必要的试验基础和理论依据,并为我国桥梁抗震规范的修编提供重要支撑。论文首先以广泛、深入的文献调研为基础,初步确定影响桥墩延性性能的因素;其次,通过桥墩拟静力正交试验对影响桥墩延性性能的因素进行验证及相关分析,进而确定影响等效塑性铰长度及等效刚度的因素;然后,针对国内配筋情况,结合已有的试验研究及美国、日本的墩柱性能数据库试验数据,回归桥墩等效塑性铰长度及等效刚度计算公式;最后,建立相应的OpenSees数值模型,对提出的桥墩塑性铰长度及等效刚度计算公式进行数值上的验证。论文的主要工作、认识及结果(结论)如下:(1)以文献调研为基础,从几何特征、配筋情况、材料特性以及荷载作用等方面总结了影响桥墩延性性能的因素;(2)进行了较系统的三水平、四因素(墩高L、轴压比P/Ag fc’、纵筋直径db、配箍率ρh)桥墩拟静力正交试验方案设计及试验研究;(3)从桥墩强度特性、延性能力等方面对试验结果进行了评估,并系统地分析剪跨比、轴压比以及纵筋率等对桥墩抗震性态、延性破坏机理的影响;(4)在现有塑性铰长度、等效刚度计算公式评估及影响因子分析的基础上,提出了钢筋混凝土桥墩塑性铰长度及整体等效刚度计算公式;(5)建立了有效的桥墩拟静力试验OpenSees纤维单元模型,从数值上验证了所提出的塑性铰长度及整体等效刚度计算公式的可靠性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-17
第一章 绪论  17-28
  1.1 引言  17-19
  1.2 桥梁抗震理论发展  19-24
    1.2.1 基于承载力设计方法  19-20
    1.2.2 基于承载力和构造保证延性设计方法  20-21
    1.2.3 基于损伤和能量的设计方法  21-22
    1.2.4 能力设计方法  22-23
    1.2.5 基于性能/位移设计方法  23-24
  1.3 论文研究目的和意义  24-26
  1.4 研究技术思路  26
  1.5 论文主要内容及架构  26-28
    1.5.1 文献调研  26-27
    1.5.2 钢筋混凝土桥墩拟静力试验  27
    1.5.3 试验结果评估、分析  27
    1.5.4 桥墩塑性铰长度及等效刚度  27
    1.5.5 桥墩滞回性能数值分析  27
    1.5.6 结语和展望  27-28
第二章 文献回顾  28-62
  2.1 引言  28
  2.2 钢筋混凝土桥墩抗震试验研究  28-39
    2.2.1 国外主要试验研究成果  28-31
    2.2.2 国内主要试验研究成果  31-32
    2.2.3 墩柱性能数据库  32-37
    2.2.4 钢筋混凝土墩柱试件形式及P-Δ效应  37-39
  2.3 桥墩抗震行为特性  39-46
    2.3.1 几何特征及配筋情况  40-42
    2.3.3 材料特性  42-44
    2.3.4 荷载作用  44-46
  2.4 屈服位移及变形  46-49
    2.4.1 传统的材料力学方法  46-48
    2.4.2 Priestley 等提出的方法（1996）  48-49
  2.5 塑性铰长度  49-56
    2.5.1 塑性铰长度的定义  50-51
    2.5.2 塑性铰长度的主要影响因素  51-56
  2.6 桥墩等效刚度  56-58
    2.6.1 理论、试验研究成果  56-57
    2.6.2 规范、细则规定  57-58
  2.7 桥墩损伤模型  58-59
  2.8 桥墩滞回性能数值分析  59-61
  2.9 小结  61-62
第三章 钢筋混凝土桥墩拟静力试验方案设计  62-82
  3.1 引言  62
  3.2 桥墩模型试件设计  62-63
    3.2.1 桥墩模型试件尺寸设计调研  62-63
    3.2.2 桥墩模型试件设计  63
  3.3 材料特性  63-66
    3.3.1 混凝土  64
    3.3.2 钢筋  64-66
  3.4 模型试件制作  66-68
  3.5 测试方案及仪器设备  68-71
    3.5.1 荷载测试系统  68
    3.5.2 钢筋应变、截面曲率及墩身（基座）位移测试  68-71
    3.5.3 测试设备、仪器  71
  3.6 加载制度  71-77
    3.6.1 墩顶轴向力加载  72-73
    3.6.2 墩顶侧向位移加载  73-77
    3.6.3 底座锚固力加载  77
  3.7 试验步骤、方法及注意事项  77-81
    3.7.1 模型试件安装、调试等准备阶段  78
    3.7.2 试验阶段  78-79
    3.7.3 试验流程图  79-81
  3.8 小结  81-82
第四章 试验现象及结果  82-142
  4.1 引言  82
  4.2 试验现象概括  82-83
  4.3 直观表象  83-84
    4.3.1 开裂  83
    4.3.2 混凝土剥落  83-84
  4.4 测试结果  84-86
    4.4.1 弯曲变形分量  85
    4.4.2 剪切变形分量  85
    4.4.3 滑移变形分量  85-86
    4.4.4 总荷载及总位移  86
    4.4.5 测试应变、曲率及位移沿墩高的分布  86
  4.5 Colum111 系列试验结果  86-105
    4.5.1 Colum114508  86-93
    4.5.2 Colum114515  93-99
    4.5.3 Colum114524  99-105
  4.6 Colum112 系列试验结果  105-123
    4.6.1 Colum115708  105-111
    4.6.2 Colum115715  111-117
    4.6.3 Colum115724  117-123
  4.7 Colum113 系列试验结果  123-141
    4.7.1 Colum117008  123-129
    4.7.2 Colum117015  129-135
    4.7.3 Colum117024  135-141
  4.8 小结  141-142
第五章 试验结果分析评估  142-172
  5.1 引言  142
  5.2 桥墩强度特性  142-149
    5.2.1 抗弯强度  142-144
    5.2.2 塑性铰区抗剪强度  144-149
  5.3 桥墩延性能力  149-156
    5.3.1 骨架曲线  149
    5.3.2 屈服位移、屈服曲率定义  149-150
    5.3.3 极限位移、极限曲率定义  150-154
    5.3.4 延性参数定义  154-156
  5.4 桥墩损伤指标及滞回耗能特性  156-161
    5.4.1 损伤指标  156-158
    5.4.2 滞回耗能特性  158-161
  5.5 分离式桥墩力-位移响应估计模型  161-164
    5.5.1 等效屈服位移  161-162
    5.5.2 极限位移估计  162-164
  5.6 试验结果正交分析评估  164-170
    5.6.1 极限抗弯能力  164-165
    5.6.2 位移延性系数  165-167
    5.6.3 极限状态累积耗能能力  167-168
    5.6.4 等效塑性铰长度  168-169
    5.6.5 等效刚度  169-170
  5.7 小结  170-172
第六章 桥墩塑性铰长度及等效刚度  172-197
  6.1 引言  172
  6.2 桥墩试验数据选取  172-174
  6.3 桥墩塑性铰长度  174-186
    6.3.1 塑性铰长度确定方法  174-177
    6.3.2 现有塑性铰长度公式评述  177-179
    6.3.3 塑性铰长度标定  179-186
  6.4 桥墩等效刚度  186-195
    6.4.1 等效刚度确定方法及其两层含义  186-189
    6.4.2 现有等效刚度模型评估  189-191
    6.4.3 等效刚度标定  191-195
  6.5 小结  195-197
第七章 基于OpenSees 的钢筋混凝土桥墩滞回性能数值分析  197-223
  7.1 引言  197-198
  7.2 OpenSees 程序介绍  198-201
    7.2.1 OpenSees 概述  198-199
    7.2.2 OpenSees 建模分析  199-201
  7.3 纤维单元模型特点  201-203
    7.3.1 基本假定  201
    7.3.2 纤维单元模型的构成  201-202
    7.3.3 纤维单元模型柔度法  202-203
  7.4 桥墩滞回性能数值分析模型  203-217
    7.4.1 材料模型  203-214
    7.4.2 纤维截面模型  214-215
    7.4.3 钢筋混凝土桥墩模型  215-217
    7.4.4 边界条件及加载方式  217
  7.5 计算结果与试验结果对比分析  217-222
    7.5.1 力-位移骨架曲线  219
    7.5.2 力-位移滞回曲线  219-222
  7.6 小结  222-223
第八章 结语  223-230
  8.1 论文研究工作及主要结论  223-227
    8.1.1 文献调研  223-224
    8.1.2 桥墩拟静力试验方案设计  224
    8.1.3 试验直观现象及直接测试结果  224-225
    8.1.4 试验结果分析、评估  225-226
    8.1.5 桥墩等效塑性铰长度及等效刚度  226-227
    8.1.6 桥墩拟静力试验OpenSees 数值模拟  227
  8.2 论文研究的主要贡献  227-228
  8.3 后续研究工作展望  228-230
致谢  230-231
参考文献  231-238
附录  238-270
  附录A：位移传感器布置及试验总体布置  238-240
  附录B：桥墩侧向位移及曲率沿墩身高度的分布  240-249
  附录C：纵筋应变沿墩高的分布  249-252
  附录D：P-Δ效应  252-253
  附录E：桥墩最终破坏形态图示  253-257
  附录F：XTRACT 截面分析材料模型  257-260
  附录G：钢筋混凝土桥墩滞回性能OpenSees 程序  260-265
  附录H：试验桥墩设计细节  265-270
在学期间发表的论著及参与的科研项目  270

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 勘测、设计与计算 > 桥涵设计 > 震害分析与抗震设计
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