鋼管混凝土核心柱組合橋墩的抗震性能研究

地震是危害橋梁安全的自然災(zāi)害之一，特別對(duì)于全部橋梁中占絕大部分的梁式橋，是歷次地震中受損和垮塌最嚴(yán)重的橋型。橋墩是決定梁式橋抗震能力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，橋墩的嚴(yán)重破壞會(huì)導(dǎo)致橋梁的倒塌或不可修復(fù)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，因此如何提高橋墩抗震性能是橋梁抗震研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本項(xiàng)目提出了一種鋼管混凝土核心柱組合橋墩，可顯著提高橋梁的抗震性能。本基金項(xiàng)目通過(guò)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合，考慮不同構(gòu)造參數(shù)，開(kāi)展了橋墩的承載力、變形能力、耗能能力的系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，本項(xiàng)目所提出的核心柱組合橋墩相對(duì)于普通鋼筋混凝土橋墩，具有更高的抗彎承載力、抗剪承載力、變形能力和耗能能力。通過(guò)提高橋墩的抗剪能力，避免了橋墩發(fā)生不可修復(fù)的剪切破壞，通過(guò)利用核心鋼管混凝土柱可以大大提高橋墩塑性鉸區(qū)的豎向承載力，避免橋墩塑性鉸區(qū)發(fā)生不可修復(fù)的壓潰破壞。由于橋墩具有更高的耗能能力，可顯著減小地震產(chǎn)生的橋墩累計(jì)損傷。在試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，給出了組合橋墩承載力、變形的計(jì)算方法以及基于位移的抗震性能指標(biāo)。綜合考慮橋墩的抗震性需求、經(jīng)濟(jì)性和施工可操作性等，通過(guò)橋墩構(gòu)造參數(shù)優(yōu)化研究，給出了鋼管混凝土柱的鋼管尺寸和埋置范圍的設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目關(guān)于鋼管混凝土核心柱組合橋墩的研究成果，為該類(lèi)橋墩的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，很好地解決了鋼筋混凝土橋墩發(fā)生不可修復(fù)破壞的問(wèn)題。 2100433B

梁式橋占全部橋梁的絕大部分，是歷次地震中受損和垮塌最嚴(yán)重的橋型。橋墩是決定梁式橋抗震能力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，提高橋墩抗震性能是橋梁抗震研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為此，本項(xiàng)目在普通強(qiáng)度鋼筋混凝土橋墩內(nèi)埋入鋼管高強(qiáng)混凝土柱，提出了組合橋墩的設(shè)計(jì)思路，將普通強(qiáng)度混凝土延性好和鋼管高強(qiáng)混凝土抗壓、抗剪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，大幅度提高橋墩的抗震性能。同時(shí)還提出了無(wú)粘結(jié)組合橋墩和只在塑性鉸區(qū)埋置鋼管混凝土柱組合橋墩兩種抗震結(jié)構(gòu)形式。擬通過(guò)對(duì)組合橋墩進(jìn)行模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析，系統(tǒng)而深入地研究其抗震性能，建立其抗震分析理論。研究?jī)?nèi)容包括：系統(tǒng)地研究不同構(gòu)造形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律；給出抗震構(gòu)造措施、承載力和剛度的計(jì)算方法；研究抗震分析力學(xué)模型和計(jì)算參數(shù)確定方法；基于性能抗震設(shè)計(jì)理念，研究組合橋墩恢復(fù)力模型和等效塑性鉸長(zhǎng)度、延性的計(jì)算方法，建立基于集中塑性鉸模型的抗震分析方法，并提出地震損傷的量化指標(biāo)和計(jì)算模型。

試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，深入研究帶鋼管混凝土邊框柱的新型組合剪力墻在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能及破壞機(jī)理，同時(shí)進(jìn)行帶鋼筋混凝土和型鋼混凝土邊框柱剪力墻的對(duì)比性試驗(yàn)。此外在部分鋼管混凝土組合剪力墻的墻板中還將采用暗藏的雙向鋼斜撐，以期進(jìn)一步提高其抗震性能，并在往復(fù)荷載作用后對(duì)破壞后的剪力墻采用碳纖維布對(duì)其進(jìn)行修復(fù)和加固。. 通過(guò)本項(xiàng)目的研究，可得出往復(fù)荷載作用下不同軸壓比、高寬比等參數(shù)條件下鋼管混凝土組合剪力墻的開(kāi)裂荷載、極限承載力、剛度、延性、耗能及破壞特征等，提供其抗彎、抗剪承載力和位移延性系數(shù)等的計(jì)算方法及簡(jiǎn)化分析模型，并對(duì)震后的鋼管混凝土組合剪力墻修復(fù)提供設(shè)計(jì)建議。. 該類(lèi)剪力墻可望在鋼－混凝土混合結(jié)構(gòu)等高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，從而為更安全、合理地設(shè)計(jì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)提供參考。 2100433B

鋼管混凝土疊合柱是以鋼管混凝土為核心，在外圍綁扎鋼筋并澆筑混凝土而形成的一種構(gòu)件。這類(lèi)構(gòu)件形式已經(jīng)在國(guó)內(nèi)數(shù)十座高層和超高層建筑中得到了應(yīng)用。在實(shí)際工程中鋼管混凝土疊合柱常和鋼梁或混凝土梁連接形成梁柱節(jié)點(diǎn)。而目前關(guān)于鋼管混凝土疊合節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究還比較少。因此，開(kāi)展該方面的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。.本項(xiàng)目深入研究鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能。開(kāi)展該類(lèi)節(jié)點(diǎn)在柱頂恒定軸壓力、梁端往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，分析節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、承載能力和內(nèi)力、變形發(fā)展規(guī)律。建立考慮材料損傷和鋼-混凝土相互作用的節(jié)點(diǎn)精細(xì)化有限元分析模型。分析重要影響因素，如核心區(qū)軸壓比、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)性質(zhì)、連接構(gòu)造、樓板等對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。建立節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力-剪切變形關(guān)系和梁端彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系滯回模型，建立基于纖維梁柱單元的宏觀節(jié)點(diǎn)單元模型。在此基礎(chǔ)上提出鋼管混凝土疊合柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能評(píng)價(jià)方法以及設(shè)計(jì)建議。