钢筋混凝土桥墩抗震性态数值评价与试验研究

论文摘要

近几十年的桥梁震害促进了桥梁抗震技术的快速发展,世界上主要桥梁抗震规范已采用延性设计,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,对桥梁体系非线性地震反应和破坏机理的深入了解和把握是性态设计的关键所在。本文首先详细总结和分析该领域的主要文献,其次从数值分析角度研究了利用简化塑性铰模型和弹塑性纤维梁柱单元,计算钢筋混凝土桥墩整体和局部地震损伤性态指标或参数的精度及可行性,最后从模型振动台试验角度研究和比较了基于现行规范设计、基于位移设计和可能发生弯剪破坏模式的钢筋混凝土短柱桥墩的抗震性能及破坏机理。论文在以下几个方面有所创新或有新的认识:1.开发了钢筋混凝土桥墩拟静力试验数值模拟与地震损伤评价程序DLUT-RC主要功能是进行钢筋混桥墩拟静力试验滞回性能的数值分析和利用真实试验数据及数值模拟结果进行桥墩抗震性态指标的计算。该程序包括两种分析模型:简化塑性铰模型和弹塑性纤维梁柱单元模型。塑性铰模型可考虑不同试验装置导致的P-△效应。纤维单元模型包括刚度法和柔度法单元,可考虑材料非线性、几何非线性和节点锚固钢筋粘结滑移影响。程序采用了较为精确反映钢筋、混凝土反复荷载下力学性能的Chang-Mander本构关系模型。以力学模型计算等效塑性铰长度,以Lehman基于应变的试验统计公式计算节点纵筋粘结滑移,建议了一种新的简化塑性铰模型。2.研究了钢筋混凝土桥墩地震反应数值模型与抗震性态评价指标的匹配关系利用简化塑性铰模型和纤维单元模型,主要计算了Lehman等完成的5根不同剪跨比及配筋率的钢筋混凝土桥墩的截面曲率、残余位移、混凝土和钢筋应变幅值、纵筋低周疲劳损伤指数等损伤评价指标,并与试验结果比较。认为不同模型计算的滞回曲线、残余位移可以和试验有很好吻合;塑性铰模型计算的极限曲率、纵筋应变幅值和试验结果较为接近,但对于剪跨比λ≥8的高墩,极限曲率计算值小于试验值,将导致偏于危险的结果:纤维单元模型,通过合理划分单元网格或确定合适的高斯积分点数,对截面曲率、纵筋应变幅值刚度法单元计算结果较为接近试验值,而柔度法单元明显大于刚度法单元。柔度法单元计算的纵筋疲劳指数要大于刚度法单元,但两者的统计离散性都很大。所有模型都很大程度低估了桥墩破坏时的混凝土压应变幅值,纤维模型要略好于简化塑性铰模型。此外,就目前常用的数值分析模型及其能力而言,认为混凝土压应变和纵筋低周疲劳损伤指数尚不适合作为钢筋混凝土桥墩的抗震性态评价指标。3.进行了延性弯曲破坏和脆性弯剪破坏的钢筋混凝土桥墩地震模拟振动台试验分别基于规范设计方法、基于位移设计方法以及考虑配箍率不足和剪跨比较小情况设计了一组（8根）钢筋混凝土桥墩试件,通过振动台试验从破坏形态、延性、耗能等多个方面评价比较了它们的抗震性能。表明按课题组建议的基于位移方法设计与按现行规范方法设计的桥墩二者抗震性能相当,但前者可明确预知（预设）桥墩在不同地震水准下的抗震性态,且在增加约束箍筋条件下可一定程度减少纵向钢筋使用量,能够达到预期的延性抗震要求;短柱桥墩在地震作用下反应位移延性系数较大,而耗能偏小,更易于破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 桥梁抗震的若干新进展
• 1.1.1 桥梁延性抗震设计发展
• 1.1.2 桥梁非线性地震反应分析技术
• 1.1.3 桥梁减隔震技术的发展与应用
• 1.1.4 桥梁抗震试验技术进展
• 1.2 选题背景和研究目的
• 1.2.1 钢筋混凝土桥墩地震反应分析模型
• 1.2.2 钢筋混凝土桥墩的性态评价指标
• 1.2.3 本文的研究目的
• 1.3 研究内容及安排
• 2 材料本构关系和DLUT-RC程序开发
• 2.1 钢筋本构关系
• 2.1.1 描述滞回曲线的Menegotto-Pinto方程
• 2.1.2 滞回规则
• 2.1.3 Chang-Mander钢筋本构关系模型的特点
• 2.2 混凝土本构关系
• 2.2.1 箍筋约束混凝土的约束模型和极限压应变
• 2.2.2 描述滞回曲线的方程
• 2.2.3 滞回规则
• 2.3 程序实现与数值模拟
• 2.3.1 钢筋本构关系
• 2.3.2 混凝土本构关系
• 2.4 钢筋混凝土桥墩DLUT-RC分析程序
• 2.4.1 程序界面
• 2.4.2 功能简介
• 2.5 小结
• 3 基于塑性铰模型的钢筋混凝土桥墩地震损伤评价
• 3.1 塑性铰模型
• 3.1.1 塑性铰模型的计算原理
• 3.1.2 基于纤维模型的截面分析
• 3.1.3 P-△效应
• 3.1.4 滞回分析和损伤评价的计算流程
• 3.1.5 DLUT-RC中的5种塑性铰模型
• 3.2 基于塑性铰模型的钢筋混凝土桥墩地震损伤评价
• 3.2.1 选取的桥墩试件
• 3.2.2 计算的性态评价指标
• 3.2.3 桥墩力-位移滞回曲线
• 3.2.4 桥墩参数对性态评价指标的影响分析
• 3.2.5 加载方式对损伤指标的影响分析
• 3.2.6 主要认识
• 3.3 建议的一种新的塑性铰模型
• 3.3.1 建议的塑性铰模型
• 3.3.2 建议塑性铰模型与其它模型的比较
• 3.4 小结
• 4 基于纤维单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤评价
• 4.1 基于有限元刚度法的纤维单元
• 4.1.1 基本假设和规定
• 4.1.2 单元位移模式
• 4.1.3 几何方程
• 4.1.4 物理方程
• 4.1.5 单元刚度矩阵
• 4.1.6 单元分析
• 4.2 基于有限元柔度法的纤维单元
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 局部坐标和整体坐标下的单元变量
• 4.2.3 单元增量几何方程
• 4.2.4 单元增量物理方程
• 4.2.5 单元结点力和截面力之间的关系
• 4.2.6 单元结点位移和截面变形之间的关系
• 4.2.7 单元切线刚度矩阵
• 4.2.8 刚体位移的添加
• 4.2.9 单元分析
• 4.3 DLUT-RC程序纤维模型分析中的若干问题
• 4.3.1 非线性迭代方法
• 4.3.2 节点锚固纵筋粘结滑移的影响
• 4.3.3 奇异阵的处理
• 4.3.4 数值积分
• 4.4 基于纤维单元的钢筋混凝土桥墩地震损伤评价
• 4.4.1 纤维单元参数敏感性分析
• 4.4.2 桥墩滞回曲线分析
• 4.4.3 桥墩抗震性态评价指标的比较
• 4.4.4 主要认识
• 4.5 塑性铰模型和纤维梁柱单元的比较
• 4.6 小结
• 5 利用振动台试验研究钢筋混凝土桥墩抗震性能
• 5.1 基于位移的钢筋混凝土原型桥墩设计
• 5.1.1 桥墩设计条件
• 5.1.2 桥墩基于位移的抗震设计原则
• 5.1.3 原型桥墩设计方案
• 5.2 钢筋混凝土桥墩振动台试验设计
• 5.2.1 相似关系
• 5.2.2 模型试件设计
• 5.2.3 材料性能参数
• 5.2.4 配重方案
• 5.2.5 输入地震动
• 5.2.6 试验工况
• 5.3 基于位移设计的钢筋混凝土桥墩振动台试验研究
• 5.3.1 试验现象
• 5.3.2 试件地震反应分析
• 5.3.3 试验的主要认识
• 5.4 弯剪相互作用下钢筋混凝土桥墩地震破坏振动台试验研究
• 5.4.1 试验现象及比较
• 5.4.2 试件地震反应分析
• 5.4.3 试验的主要认识
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 附录A DLUT-RC程序介绍
• A.1 简述
• A.2 使用说明
• A.2.1 参数设置菜单
• A.2.2 材料本构关系菜单
• A.2.3 计算分析菜单
• A.2.4 数据处理菜单
• A.3 输入文件和输出结果
• A.3.1 输入文件
• A.3.2 输出结果
• 附录B 雨流计数法
• B.1 雨流计数法原理
• B.2 程序实现
• B.2.1 数据压缩
• B.2.2 循环数提取
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢