聚氨酯粉煤灰复合材料在桥梁结构抗震加固工程中的应用研究

论文摘要

自1971年美国加州发生了圣费尔南多大地震以来,延性抗震设计理论便逐渐取代了单一的强度设计理论,成为了世界各国桥梁工程抗震设计的主流。目前,美国、日本等世界工程抗震先进国家的桥梁抗震设计规范均采用了延性抗震设计理论作为其设计的主要依据。5.12汶川特大地震后,国家交通运输部颁布了新的《公路桥梁抗震设计细则》“细则”中首次引入了延性抗震设计理论的概念,我国桥梁抗震设计方法实现了从弹性设计理论向弹塑性设计理论的转变。但是,我国以前的桥梁抗震设计一直采用1989年颁布的《公路工程抗震设计规范》“规范”中使用的综合安全系数Cz不但忽略了结构延性在桥梁抗震问题中的重要性,而且缺乏对既有桥梁结构的延性评估。因此,面对我国众多处于地震高发地点的桥梁,如何采用科学手段对它们的延性抗震能力进行分析,并对其中不满足延性要求的进行必要的抗震加固,是摆在从事桥梁工程抗震研究工作者面前急需解决的重要研究课题之一。本论文首先通过学习,初步掌握了桥梁延性抗震设计理论,在此基础上结合我国桥梁工程技术特点利用C语言编制了“钢筋混凝土桥墩抗震安全性能评价”程序,提出了既有钢筋混凝土矩形截面桥墩结构的抗震安全性能的评估方法;其次,针对不满足“新规范”规定的抗震安全性能的桥墩结构,介绍了由所属课题组研究开发的新型PUFA抗震加固材料,并通过理论计算明确了利用新型桥梁抗震加固材料PUFA对既有钢筋混凝土桥墩结构的加固效果。本论文的主要研究内容与成果如下:1.利用钢筋和混凝土的应力与应变关系,理论推导出矩形截面弯矩与曲率的弹塑性关系（M-Φ曲线）以及钢筋混凝土桥墩结构的水平力与水平位移的非线性关系（P-Δ曲线）,并利用延性抗震设计理论编制了桥墩抗震安全性能评估计算程序;2.通过对钢筋混凝土桥墩实验结果的数值模拟计算,验证了上述钢筋混凝土桥墩抗震安全性能评估计算程序的正确性;3.通过材料试验进一步介绍了所属课题组自主研发的新型PUFA抗震加固材料的各种力学关系,提出了利用PUFA材料进行外包约束混凝土后,核心混凝土的本构关系分析模型的推导与求解,为今后相关有限元计算提供了依据。4.通过对新型PUFA材料加固既有钢筋混凝土桥墩结构的数值模拟计算,验证了利用PUFA材料进行抗震加固的良好效果;

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出背景，研究目的和研究意义
• 1.1.1 课题的提出背景
• 1.1.2 课题的研究目的
• 1.1.3 课题的研究意义
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 桥梁抗震设计方法的研究现状
• 1.2.2 结构分析软件的发展现状
• 1.2.3 桥梁抗震加固技术的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 桥梁抗震设计理论与加固方法的研究
• 2.1 抗震设计理论的主要内容
• 2.2 现行主要的抗震设计理论
• 2.2.1 弹性设计理论
• 2.2.2 弹塑性设计理论
• 2.2.3 现有各国规范中使用的抗震设计理论
• 2.2.4 本论文采用的抗震设计理论
• 2.3 地震作用理论的研究
• 2.3.1 地震作用理论的主要内容
• 2.3.2 地震运动
• 2.3.3 地震运动作用于结构的效果
• 2.3.4 本论文中采用的地震作用理论
• 2.4 桥梁桥墩结构的抗震加固方法简介
• 2.4.1 钢筋混凝土桥墩抗震加固的主要思想
• 2.4.2 美国关于钢筋混凝土桥墩抗震加固的实践经验
• 2.4.3 日本关于钢筋混凝土桥墩抗震加固的实践经验
• 2.4.4 本论文使用的新型材料PUFA加固桥墩结构的方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 桥墩结构弹塑性性质的研究
• 3.1 桥墩结构弹塑性性质研究的主要内容
• 3.2 桥墩结构的简化
• 3.3 钢筋材料的本构关系
• 3.4 考虑箍筋作用的混凝土材料的本构关系
• 3.5 桥墩任意横截面M -φ曲线的求解公式
• 3.5.1 求解M -φ关系的基本假设
• 3.5.2 截面单排钢筋的等效处理
• 3.5.3 截面多排钢筋的等效处理
• 3.5.4 受拉区混凝土开裂状态的M -φ关系
• 3.5.5 受拉区钢筋屈服状态的M -φ关系
• 3.5.6 受压区混凝土极限状态的M -φ关系
• 3.5.7 桥墩任意截面M -φ曲线的建立
• 3.6 桥墩结构的P-△曲线的求解公式
• 3.6.1 受拉区混凝土开裂状态P-△关系的求解
• 3.6.2 受拉区钢筋屈服状态P-△关系的求解
• 3.6.3 受压区混凝土极限状态P-△关系的求解
• 3.6.4 桥墩结构的P-△曲线
• 3.7 既有钢筋混凝土桥墩抗震安全性能的评价
• 3.7.1 钢筋混凝土桥墩抗剪能力的分析
• 3.7.2 钢筋混凝土桥墩失效模式的评估
• 3.7.3 既有钢筋混凝土桥墩抗震安全性能评价的分析
• 3.8 既有钢筋混凝土桥墩抗震安全性能评价计算机程序的设计
• 3.8.1 程序框图
• 3.9 既有钢筋混凝土桥墩抗震安全性能评价的算例
• 3.9.1 课题的提出背景，研究目的和研究意义设计条件
• 3.9.2 计算结果
• 3.9.3 抗震安全性能的最终检验结果及程序的准确性
• 3.10 本章小结
• 第4章 新型复合材料PUFA及其力学特性简介
• 4.1 PUFA的材料特性
• 4.1.1 PUFA的材料组成
• 4.1.2 PUFA的配合比
• 4.1.3 PUFA的密度
• 4.2 PUFA的力学特性
• 4.2.1 PUFA材料的抗压强度试验及其结果
• 4.2.2 PUFA材料的抗压弹性模量试验及其结果
• 4.2.3 PUFA材料的抗弯拉强度试验及其结果
• 4.2.4 PUFA材料与普通水泥土混凝土力学特性的对比
• 4.2.5 PUFA材料的本构分析模型
• 4.3 本章小结
• 第5章 PUFA约束混凝土柱轴压本构关系分析模型
• 5.1 PUFA材料约束混凝土柱轴压本构关系分析模型研究的主要内容
• 5.2 PUFA材料约束核心混凝土的机理分析及两个重要参数
• 5.2.1 PUFA材料约束核心混凝土的机理分析
• 5.2.2 PUFA材料约束核心混凝土中的两个重要参数
• 5.3 PUFA材料约束核心混凝土的有限元模拟试验
• 5.3.1 PUFA材料约束核心混凝土模拟试验的有限元模型
• 5.3.2 PUFA材料约束核心混凝土有限元模拟试验的结果分析
• 5.3.3 PUFA材料约束核心混凝土有限元模拟试验的参数分析
• 5.4 PUFA材料约束核心混凝土的峰值应力和峰值应变
• 5.4.1 PUFA材料约束核心混凝土的峰值应力分析
• 5.4.2 PUFA材料约束核心混凝土的峰值应变分析
• 5.5 PUFA约束核心混凝土的本构关系分析模型
• 5.5.1 推导材料本构关系分析模型的几个常用方法
• 5.5.2 基于主动约束模型的分析模型的介绍
• 5.5.3 混凝土材料的轴向-径向应变关系（割线泊松比υ）
• 5.5.4 混凝土材料的主动约束模型
• 5.5.5 PUFA约束核心混凝土的本构关系分析模型
• 5.5.6 PUFA约束核心混凝土本构关系分析模型的计算机程序
• 5.5.7 PUFA约束核心混凝土本构关系分析模型的计算结果与模拟试验结果的比较验证
• 5.6 本章小结
• 第6章 PUFA加固钢筋混凝土墩柱的算例及分析
• 6.1 PUFA加固钢筋混凝土墩柱算例及分析的主要内容
• 6.2 PUFA加固钢筋混凝土墩柱有限元计算的数值模型
• 6.2.1 有限元计算采用的软件—OpenSees软件系统
• 6.2.2 有限元计算采用的钢筋本构关系模型
• 6.2.3 有限元计算采用的混凝土的本构关系模型
• 6.2.4 有限元计算采用的PUFA材料的本构关系模型
• 6.2.5 有限元计算的原模型结构
• 6.2.6 有限元计算的加固模型结构
• 6.3 PUFA加固钢筋混凝土墩柱有限元计算的结果分析
• 6.3.1 结构的极限承载能力对比
• 6.3.2 结构的延性能力对比
• 6.3.3 结构内部储蓄应变能的对比
• 6.3.4 结构滞洄曲线的对比
• 6.4 PUFA加固钢筋混凝土墩柱的参数分析
• 6.4.1 PUFA材料厚度的影响
• 6.4.2 PUFA材料密度的影响
• 6.4.3 混凝土强度等级的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 研究成果
• 未来研究建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢