带肋圆管截面钢桥墩的力学性能研究

论文摘要

钢结构因其强度高、自重轻、抗震性能好等诸多优点而应用于对抗震性能要求较高的土木结构中。钢桥墩通常应用于城市高架桥、高速公路桥梁以及人行天桥等领域。传统的钢筋混凝土桥墩由于自重大、延性差等缺点,导致其在地震中的损毁较为严重。与钢筋混凝土桥墩相比,钢桥墩具有更好的强度和抗震性能。在地震中,钢桥墩的破坏形式主要是桥墩底部附近钢板的局部屈曲导致。本文采取在圆管钢桥墩底部附近内置加劲肋补强的方式来抑制钢板局部屈曲的产生,从而达到提高钢桥墩延性性能与滞回性能的目的。本文在总结以往带肋圆管截面钢桥墩在数值模拟和试验研究成果的基础上,通过建立非线性有限元分析模型,研究带肋圆管截面钢桥墩在承受恒定竖向荷载与水平反复荷载作用下的极限承载力、延性性能、滞回性能。在此基础上,对钢桥墩的径厚比参数、纵向加劲肋数量、纵向加劲肋长细比等截面几何特性的影响进行探讨,并提出用于预测该类钢桥墩继续承载延性性能的经验公式,以达到使非线性分析的研究成果便于工程应用的目的。主要研究内容包括:(1)建立精确的有限元分析模型,对带肋圆管截面钢桥墩的试验结果进行数值模拟。将极限承载力、延性性能、破坏模式、滞回性能等作为考察指标,比较试验结果与数值分析结果后发现,数值模拟结果与试验结果吻合得很好,证明本文采用的有限元分析模型具有较高的精度。(2)提出在靠近钢桥墩底部分别设置4根肋、6根肋、8根肋的新型圆管截面形式,采用有限元分析方法计算39根圆管截面钢桥墩在水平反复荷载作用下的极限承载力、延性性能、能量吸收能力、以及它们的破坏模式。(3)与不带肋情况下的研究结果进行比较,研究圆管截面钢桥墩的极限承载力和延性性能,揭示钢桥墩破坏模式的变化规律,并详细探讨钢桥墩径厚比、加劲肋数量以及加劲肋长细比等参数对钢桥墩极限承载力、延性性能和能量吸收能力的影响。分析结果表明:随着钢桥墩径厚比和纵向加劲肋长细比的减小,钢桥墩的延性性能得到很大改善,能量吸收能力得到很大提高。(4)在考虑钢桥墩各种几何参数影响的基础上,提出预测圆管截面钢桥墩极限承载力和延性性能的经验公式。本文采用非线性有限元分析方法对带肋圆管截面钢桥墩的力学性能进行了系统的分析,但是仍有许多问题有待进行更深入研究。本文最后对带肋圆管截面钢桥墩的进一步研究做了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 研究现状及存在的问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 理论分析方法
• 2.1 有限元法概述
• 2.1.1 有限单元法简介
• 2.1.2 有限元法分析问题的基本步骤
• 2.2 非线性有限元理论
• 2.2.1 材料非线性
• 2.2.2 几何非线性
• 2.3 塑性材料的假定方法
• 2.4 有限元分析中的数值方法
• 2.4.1 线性方程组的求解方法
• 2.4.2 非线性方程组的求解方法（迭代法和增量法）
• 2.5 有限元分析软件DIANA 介绍
• 2.6 钢材的本构关系
• 2.6.1 钢材的应力-应变关系
• 2.6.2 反复加载作用下钢材的应力－应变关系
• 2.7 计算模型的单元选取
• 2.8 本章小结
• 第三章 数值模拟方法的实验验证
• 3.1 概述
• 3.2 有限元分析模型的建立
• 3.2.1 几何参数
• 3.2.2 单元划分
• 3.2.3 钢材本构关系
• 3.2.4 加载方式
• 3.2.5 边界约束条件
• 3.3 考察结果
• 3.3.1 考察方式
• 3.3.2 破坏模式
• 3.3.3 滞回曲线对比
• 3.3.4 误差分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 带肋圆管钢桥墩的延性影响因素与延性性能评估
• 4.1 建立模型
• 4.1.1 试件概述
• 4.1.2 单元的选取及划分
• 4.1.3 材料属性
• 4.1.4 加载方式
• 4.1.5 边界条件
• 4.2 结果分析
• 4.2.1 破坏模式
• 4.2.2 滞回曲线
• 4.2.3 径厚比参数的影响
• 4.2.4 纵向加劲肋数量的影响
• 4.2.5 纵向加劲肋长细比参数的影响
• 4.2.6 极限承载力与延性公式
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 附件