新型混合配筋FRP管高铁墩柱抗震性能试验研究与数值分析

论文摘要

桥梁墩柱是桥梁结构体系中主要抵抗地震侧向力的构件,地震中桥墩受到的直接破坏以及由此延伸的上部结构次生震害是地震中桥梁破坏的主要原因。在地震中,不仅受到严重破坏的桥墩要重建,而且轻微损伤但留有严重残余位移(塑性变形)的桥墩因为上部结构难于推回到原先的位置也需要重建。所以抗震设计希望桥墩不出现残余位移,或者要把残余位移的大小控制在合适的范围内。为了减小桥墩的残余位移进而提高墩柱的可修复性能,本文提出新型混合配筋FRP管钢筋混凝土墩柱结构。其主要特点包括：(a)当钢筋屈服以后利用弹性的FRP筋使桥墩具有整体的稳定二次刚度,即普通钢筋屈服后FRP筋的仍然处于弹性状态可以继续提高墩柱的承载力从使其具有稳定的二次刚度；(b)FRP管包裹约束整个墩柱,不仅其约束效应有效提高了墩柱的极限承载力,而且FRP材料具有高耐久性特征,在高腐蚀等恶劣环境下比普通RC结构具有显著优势。为了研究该新型墩柱的抗震性能,制作了4个墩柱试件：普通钢筋混凝土柱(RC柱)、混合配筋钢筋混凝土柱(HRC柱)、混凝土填充FRP管柱(CFFT柱),新型混合配筋混凝土填充FRP管柱(HCFFT柱),对他们在低周往复荷载作用下的力学性能进行了试验研究。在此研究的基础上,进行了有限元数值模拟仿真和参数分析,最后进行了恢复力模型的研究。研究结果表明：(1)试验发现,即在承载力下降段,HCFFT柱较RC柱具有更为平稳的持荷能力和更好的延性。HCFFT柱的延性较RC柱增长了84%,残余位移平均减小10%以上,表明HCFFT柱较普通RC柱表现出更加良好、稳定的可修复性能。(2)开发的有限元数值模型计算数值与试验结果吻合较好,并用该模型进行了参数分析和弹塑性时程分析,发现在HCFFT柱的残余位移明显小于RC柱。(3)建立了四种类型构件的恢复力模型,为建立该新型墩柱结构的设计理论打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 现有研究和相关技术述评
• 1.2.1 现有提高墩柱的极限承载能力方法
• 1.2.2 现有减小侧向位移的方法
• 1.3 论文的研究目标、内容和章节安排
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 章节安排
• 第二章 墩柱结构的可修复性能研究
• 2.1 普通钢筋混凝土墩柱可修复性能分析
• 2.1.1 材料方面
• 2.1.2 其他方面
• 2.2 减小墩柱结构残余变形的方法
• 2.3 FRP管墩柱结构的可修复性能分析
• 2.3.1 管厚
• 2.3.2 缠绕方式
• 2.4 FRP管柱设计方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 墩柱抗震性能试验研究
• 3.1 墩柱模型试件的设计与制作
• 3.1.1 FRP管的制作
• 3.1.2 构件具体制作
• 3.2 试验测试
• 3.2.1 材料特性测试
• 3.2.2 测试设备和装置
• 3.2.3 试验步骤、方法及注意事项
• 3.3 试验现象
• 3.3.1 RC柱试验现象
• 3.3.2 HRC柱试验现象
• 3.3.3 CFFT柱试验现象
• 3.3.4 HCFFT柱试验现象
• 3.4 试验结果分析
• 3.4.1 滞回曲线
• 3.4.2 骨架曲线
• 3.4.3 耗能能力
• 3.4.4 承载力衰减
• 3.4.5 延性系数
• 3.4.6 残余变形
• 3.4.7 试件的弯矩—曲率分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 新型混合配筋FRP管高铁墩柱抗震性能的数值分析
• 4.1 Opensees程序介绍
• 4.2 数值模型建立
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 材料本构关系
• 4.2.3 单元划分
• 4.3 数值模型验证
• 4.4 参数分析
• 4.5 FRP筋布置形式
• 4.6 弹塑性时程分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 新型墩柱恢复力模型研究
• 5.1 新型墩柱特征点计算
• 5.2 理论骨架曲线验证
• 5.3 恢复力模型
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 1 论文的主要研究工作及主要结论
• 2 特色与创新之处
• 3 后续研究工作以及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历