部分内填混凝土箱形截面钢桥墩的延性性能研究

发布时间：2019-10-15 06:59

【摘要】：近年来大地震频发，高架桥作为交通网络中的重要组成部分，若在地震过程中发生了影响其使用性能的严重损伤，将导致交通网络的瘫痪，从而严重影响灾后的抗震救灾工作。诸多地震灾害调查报告表明，桥梁在地震过程中发生严重破坏甚至倒塌主要是由于桥墩的破坏所致。与传统钢筋混凝土桥墩相比，钢桥墩具有轻质、施工便捷、节省城市空间、外形多样、造型美观、震后补强措施简洁、抗震性能高等优势。在纯钢桥墩中填充混凝土，一方面可以提高其抵抗车辆撞击的能力，另一方面又可以提高其吸能能力并改善钢桥墩的延性。本文的研究对象为以柱顶恒定轴向力以及水平往复位移为荷载的部分内填混凝土箱形截面钢桥墩。通过使用有限元分析软件DIANA对钢桥墩进行三维和二维弹塑性有限元分析，研究部分内填混凝土钢桥墩的延性性能。开展的主要研究如下：（1）钢桥墩三维有限元模拟方法的试验验证。基于试验数据，建立三维弹塑性有限元模型，将分析得到的水平荷载-水平位移滞回曲线以及破坏模态结果与试验结果进行比较，吻合较好。（2）钢桥墩破坏模态及受力机理分析。建立以翼缘宽厚比、柱长细比、混凝土填充率、柱顶轴压比为变化参数的三维弹塑性精确有限元分析模型。归纳总结钢桥墩可能出现的各破坏模态：对于纯钢桥墩，局部屈曲发生在试件底部；对于内填混凝土钢桥墩，混凝土填充量较少时，局部屈曲通常发生在内填混凝土上部钢板；随着混凝土填充量的增加，局部屈曲将出现在试件底部附近。在此基础上对主要加载步的试件应变云图进行分析，，揭示纯钢桥墩和内填混凝土钢桥墩破坏模态的力学机理。（3）水平反复荷载作用下钢桥墩的延性性能分析。分析翼缘宽厚比、柱长细比、混凝土填充率、柱顶轴压比等四个参数变化对内填混凝土钢桥墩延性性能以及刚度退化特性的影响。（4）钢桥墩延性性能简化计算方法。从设计角度，使用二维梁单元模型预测钢桥墩的延性。保持二维梁单元模型的各项几何特性、材料特性均与三维模型一致，将计算结果与三维有限元分析结果进行对比，提出对底部钢板的极限应变进行修正的方法，将底部钢板的极限应变乘以修正系数α后得到的计算结果作为二维简化模型延性修正结果。通过拟合的方式得到结果误差最小时所对应的修正系数α为1.6。在此基础上，提出最优混凝土填充率的确定方法，得到各模型的最优混凝土填充率，为内填混凝土钢桥墩的抗震优化设计提供依据。
【图文】：

神户,高架路,钢桥墩,中箱

图 1-1 阪神大地震神户高架路桥倒塌破坏Fig.1-1 Kobe highway damaged during Hyogoken-nanbu Earthquake图 1-2 阪神大地震中箱形截面钢桥墩的破坏ig.1-2 Steel Box-section bridge pier damaged during Hyogoken-nanbu earthqu

桥面,桥梁,剪切破坏,桥墩

1989 年在旧金山海湾地区发生的洛马普利塔 7.1 级地震中，桥梁的破坏形式有柱的弯曲破坏、柱的剪切破坏以及柱的塑性铰区的剪切破坏。图 1-5 示某桥墩柱的塑性铰的剪切破坏导致柱穿透桥面。在洛马普利塔地震期间，受影响的 5 个县总共有 1500 座桥梁，其中有 10 座因发生了较大的结构破坏而需要临时关闭，有 3 座桥梁发生了一处或者多处坍塌破坏，对该地区的交通网络产生了严重的影响。2008 年 5 月 12 日，在我国四川省汶川县发生的里氏 8.0 级特大地震中，桥梁的损毁情况十分严重。百花大桥地处漩口镇和映秀镇交界处，是国道 213 线通往阿坝州的必经之路，全长 500 米，耗资 3000 万，2004 年建成通车。“5.12”汶川大地震中，该桥震晃剧烈，桥面断裂，桥墩震毁，最终整体性倒塌。图 1-6 示百花大桥部分桥段完全坍塌情况。图 1-7 和图 1-8 都是该桥桥墩发生破坏的情况。图 1-3 阪神大地震中被损坏钢桥墩的临时加固Fig. 1-3 Temporarily retrofitted steel pier damaged during Hyogoken-nanbu Earthquake
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U443.22

【参考文献】