钢—混凝土组合连续刚构桥抗震性能研究

发布时间：2020-08-28 12:02

　　目前在我国已经建成的众多预应力混凝土连续刚构桥中出现了主梁跨中下挠和开裂等问题,新型钢—混凝土组合连续刚构桥不仅能够避免此类病害的出现,还具有整体性能好、施工方便快捷等优点,在公路工程和铁路工程建设中具有广泛的发展前景。此外,桥梁结构运营阶段不可避免的会遭遇地震等自然灾害和汽车或船舶撞击、火灾、爆炸等极端偶然事故作用,既有设计规范并未考虑多灾害荷载作用的影响,因此,开展新型钢-混凝土组合刚构桥在多灾害荷载作用下的力学性能研究具有重要理论意义和巨大的工程实用价值。本文基于爆炸试验和拟静力试验,以及非线性数值分析,探索新型钢—混凝土组合连续刚构桥抗震性能和考虑爆炸损伤影响的双层钢管混凝土组合墩柱的抗震性能,主要工作如下:1、针对钢—混凝土组合连续刚构桥抗震关键部位刚性节点设计了一种新型构造形式,对采用双层钢管混凝土墩、钢管混凝土墩和钢筋混凝土墩的节点抗震性能进行对比分析;2、通过爆炸试验和拟静力试验,考虑爆炸损伤的影响,对不同截面形式的双层钢管混凝土组合墩柱的抗震性能进行研究;3、建立了钢—混凝土组合连续刚构桥非线性有限元模型,分析了其地震作用下的桥梁动力响应,对其抗震性能进行评估。得到的主要结论如下:1、提出了一种钢—混凝土组合连续刚构桥新型墩梁连接节点构造形式,其传力简洁合理,抗震性能优良,可供工程设计参考。2、爆炸损伤对双层钢管混凝土墩柱低周往复下的地震损伤发展有较大的影响,爆炸损伤会削弱其滞回曲线的峰值荷载;爆炸损伤后双层钢管混凝土墩柱强度退化曲线均体现出不对称性,爆炸损伤会造成其刚度明显的下降,但对其耗能能力影响不大。3、新型钢—混凝土组合连续刚构桥具有良好的抗震性能,可采用墩底曲率是否达到构件的损伤标准来判断其损伤程度,可将钢—混凝土组合刚构桥地震损伤程度划分为四个等级:基本完好、中等损伤、严重破坏和整体倒塌。参数分析表明,桥墩高度不一致时,桥墩越矮越易受到地震的损伤;在墩高一致时,抗震性能随着跨径的增加而减弱;抗震性能与跨数相关性不明显;同一桥梁其墩高相比于墩高一致的更易产生损伤。本文可为钢—混凝土组合连续刚构桥的抗震设计与推广应用提供依据和参考。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U448.23
【部分图文】：

试件,钢主梁,主梁,混凝土墩

图 1. 2 Nakamura 墩梁固结节点试件图 1. 3 Nakamura 节点试验的滞回曲线Nakamura[41]针对工字钢主梁和混凝土墩柱固结的节点进行了试验研究，其中墩梁固结处工字钢主梁通过短横钢通过焊缝连接。钢横梁和主梁的腹板包住节点核心区域混凝土，墩中钢筋锚固在核心区混凝土内，具体构造如图 1.2 所示。将其倒置，在墩底施加水平往复荷载，可以得到滞回曲线见图 1.3。因为钢主梁与焊接短横梁对墩顶混凝土形成了套箍效应，有较强的约束左右，试件发生破坏时塑形发展十分充分，微裂缝均匀分布与核心区域的混凝土上，有较强的耗能能力。此节点已实际应用于日本的朝见川桥，此桥为四片工字型钢主梁的七跨钢—混凝土组合连续刚构桥，其中最大跨径为 43.5m。Shigeyuki 等[42]提出一种新型的钢—混凝土主梁和墩柱的固结方式，并且与多种连接构造进行分析对比。通过钢主梁和钢桁架梁将固结处的核心混凝土约束住，从而使核心混凝土三向受力，并且在框架内部焊接栓钉和钢梁底部焊接短钢筋来加强钢主梁和混凝土墩柱之间的连接，之后通过有限元模拟，研究了该构造的性能。岩崎初美[43]等提出了一种钢主梁和圆形钢筋混凝土桥墩的墩梁固结节点。在钢

滞回曲线,节点试验,滞回曲线

示意图,刚性节点,钢套筒

[45]等针对钢—混凝土连续刚构桥传统刚性节点的不足，提出了一种新的钢套筒刚性节点，如图1.4，并且设计了三组不相同的连接方式的节点进行拟静力试验，表明钢套筒结合部具有较高的抗裂性能和承载力，能够加强钢混结合部附件的混凝土桥墩，让最不利受力截面不在混凝土核心区之内，提高了结构的延性和承载力。图 1. 4 聂鑫的钢套筒刚性节点图 1. 5 朱海清的新型刚性节点及加载示意图朱海清[46]等提出了一种新型钢管混凝土梁柱节点，且对其进行了拟静力试验，与传统一体化浇筑的节点进行对比，如图 1.5 所示。节点采用了纤维砂浆和螺纹钢管作为粘结填充媒介，相比传统节点在耗能能力方面有所提升，及表现出了良好的节点建造便捷性，又表现出了优于传统节点的抗震性能。针对钢—混凝土组合刚构桥墩梁刚性节点

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