设置粘弹性阻尼器的预应力节段拼装桥墩抗震性能研究

摘要

桥墩施工中采用预制拼装构件可以加快桥梁建设,减小施工过程对交通的不利影响,具有广阔的工程前景。同时,无粘结预应力混凝土节段拼装桥墩在发生大幅度水平变形后残余变形小。预制节段拼装技术在过去数十年得到越来越广泛的应用,但由于其耗能能力不足,缺乏系统的抗震性能研究,限制了该技术在高烈度区的应用。本文将对设置外部可更换粘弹性阻尼器的无粘结预应力节段桥墩进行理论和数值研究,探索具有优越抗震性能桥墩的工程应用,主要研究内容包括:
　　(1)粘弹性阻尼器是常用的振(震)动控制装置。本文根据阻尼器与拼装桥墩连接方式以及体系耗能能力的要求,采用NBR3305粘弹性材料设计并加工了一批粘弹性阻尼器。通过阻尼器的力学性能试验,分析其阻尼性能随激励频率和应变幅值变化的特征。由于开尔文模型形式简单,原理清晰,对于线性和非线性体系均较好适用,本文采用该模型模拟粘弹性阻尼的性能。通过数值分析和试验结果的比较可以得出,开尔文模型能准确模拟粘弹性阻尼器的性能,加工的阻尼器能有效减小结构的地震响应。此外,本文建立了考虑粘弹性阻尼器平动和转动耦合变形时的数学模型,分析设置于墩底的该类阻尼器的动力性能。
　　(2)建立设置有粘弹性阻尼器的无粘结预应力节段拼装桥墩的水平强度和变形特征的理论分析模型。采用纤维模型和梁柱单元分析方法分别对各个试件进行弹塑性静力分析,研究预应力桥墩的抗震性能。纤维模型中采用线弹性纯受压多弹簧模拟接缝,用粘滞材料模拟粘弹性阻尼器性能,分析结果能较好地体现墩柱的整体变形特征。
　　(3)根据上述的研究成果,分别对不同桥墩构造的多跨连续混凝土梁桥进行三维非线性有限元分析,比较它们在强震作用下的损伤状况。数值分析结果表明,由于设置外部可更换粘弹性阻尼器的混合桥墩的能量耗散和自复位能力的提高,支座、桥台、梁等主要桥梁构件动力反应减小。
　　(4)根据直接基于位移设计(DDBD)方法,对整体现浇桥墩和混合桥墩进行设计,使其在地震作用下既不过分保守,也不产生过度的损害。为了验证该种设计方法,针对所设计的悬臂墩柱,即现浇整体桥墩,无粘结预应力节段拼装桥墩和对应的等配筋率混合桥墩(设置有可更换粘弹性阻尼器),进行了缩尺比为4.5的振动台试验设计。试验方案也对混合桥墩的工程应用提供了参考。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 预应力节段拼装桥墩力学特征

1.3 预制混凝土桥墩的研究概况

1.4 预制混凝土桥墩的设计

1.5 地震响应分析方法

1.6 粘弹性阻尼器

1.7 主要研究内容

第2章 粘弹性阻尼器的制作与性能试验

2.1 引言

2.2 粘弹性阻尼器的基本理论

2.3 粘弹性阻尼器的力学性能试验

2.4 粘弹性阻尼器性能的数值分析

2.5 本章小结

第3章 混合桥墩体系抗震性能研究

3.1 引言

3.2 混合桥墩体系的理论分析

3.3 节段桥墩弯矩-曲率反应的迭代分析

3.4 基于OpenSees混合桥墩体系的有限元建模

3.5 混合桥墩的静力弹塑性分析

3.6 预应力节段拼装连续梁桥时程分析

3.7 本章小结

第4章 混合桥墩振动台试验设计

4.1 引言

4.2 直接基于位移的桥墩设计

4.3 试验原理

4.4 试验方案

4.5 试验测试

4.6 试验工况

4.7 本章小结

结论

参考文献

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致谢