钢筋混凝土墩柱弹塑性性能及在桥梁抗震设计中的应用研究

摘要

近几十年来，国内外发生了多次大地震，很多桥梁遭受破坏，对人的生命财产安全和经济发展产生了严重影响。随着人类与地震斗争经验的不断积累，人们已经意识到，除大震造成的桥梁倒塌外，中小地震导致的桥梁正常使用功能丧失及经济损失同样值得关注，地震下结构的最大位移反映了结构进入非线性的程度和损伤，所以多地震水平、基于位移的抗震设计更能体现桥梁抗震的设防目标。墩柱是钢筋混凝土桥梁的支撑构件和地震作用下的耗能构件，其在反复荷载作用下的非线性性能对桥梁抗震具有重要影响。深入了解墩柱地震下的耗能、变形性能，建立相应的计算方法，是实现桥梁结构基于位移的抗震设计的关键。虽然目前国内已对钢筋混凝土墩柱构件的抗震性能进行了很多研究，但研究还不够深入，特别是在钢筋混凝土弯剪破坏研究方面。因此，本文结合国家自然科学基金项目，以中小钢筋混凝土桥梁基于位移的抗震设计方法为研究对象，从试验和理论两个方面对钢筋混凝土墩柱的抗震性能进行了研究。主要内容如下:
　　1.对24根钢筋混凝土圆形截面墩柱试件进行了低周反复荷载试验，研究了轴压比、剪跨比、纵向配筋率和配箍率对试件破坏方式（弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏）的影响;计算了弯曲变形、剪切变形和滑移变形占总水平变形的比例，分析了各参数对试件滞回曲线、滞回耗能、等效阻尼比、破坏区域长度的影响。
　　2.采用本文弯曲破坏型钢筋混凝土墩柱试件的试验结果和从美国太平洋地震研究中心PEER数据库收集的柱低周反复试验数据，对弯曲破坏型试件的滞回曲线进行了分析，建立了一个完整加载循环中滞回曲线的数学表达式;采用Jacobsen等能量方法，推导得出弯曲破坏型试件的等效阻尼比模型;以250条地震波激励下单自由度体系弹塑性动力时程分析的最大平均位移为基准，对等效阻尼比模型进行了修正，得到与相对屈服力（结构屈服力与结构重量之比）、周期和峰值地面加速度有关的等效阻尼比修正系数;以双柱墩桥梁为例，推导得出桥梁整体等效阻尼比与墩柱端部塑性铰等效阻尼比的关系式。
　　3.通过对包括本文试验结果在内的大量弯剪破坏型钢筋混凝土试件试验数据的分析，建立了弯剪破坏型钢筋混凝土墩柱一个完整加载循环中滞回曲线的表达式;采用Jacobsen等能量方法，推导得出弯剪破坏型钢筋混凝土试件的等效阻尼比模型和模型的简化表达式;采用与弯曲破坏型试件类似的方法，以弹塑性动力时程分析的平均最大位移为基准，考虑相对屈服力、周期和峰值地面加速度的影响，对所提等效阻尼比模型进行了修正。与弯曲破坏型试件的等效阻尼比相比，弯剪破坏型试件的等效阻尼比还与试件的割线刚度有关，反映了弯剪破坏型试件滞回曲线捏缩的影响。
　　4.通过理论分析，分析了影响钢筋混凝土柱等效塑性铰长度的主要因素，根据分析结果提出了弯曲破坏型构件塑性铰区长度理论计算公式;采用本文钢筋混凝土墩柱的最大水平位移的试验结果和收集的PEER数据库中柱最大水平位移的试验结果，对提出的等效塑性铰公式进行校准，给出了实用的弯曲破坏型构件等效塑性铰长度计算公式;考虑弯剪斜裂缝导致的纵筋受拉延伸效应，提出了弯剪破坏型钢筋混凝土墩柱的等效塑性铰长度计算公式。
　　5.基于一个桥梁的设计案例，利用本文提出的经动力弹塑性时程分析校准的弯曲破坏型和弯剪破坏型钢筋混凝土墩柱的等效阻尼比模型，弯曲破坏型和弯剪破坏型等效塑性铰长度计算公式，以及按塑性铰出现顺序计算桥梁结构整体等效阻尼比的方法，探讨了中小钢筋混凝土桥梁基于位移的抗震设计方法。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 钢筋混凝土柱地震破坏模式研究

1．2．2 钢筋混凝土柱等效阻尼比研究

1．2．3 钢筋混凝土构件恢复力模型研究

1．2．4 钢筋混凝土柱等效塑性铰长度研究

1．3 现有研究存在的问题

1．4 本文主要研究内容

2 钢筋混凝土圆形截面墩柱低周反复荷载试验

2．1 引言

2．2 试验设计

2．2．1 试件制作

2．2．2 试验方法

2．3 试验研究

2．3．1 破坏现象

2．3．2 荷载-变形曲线

2．3．3 耗能性能

2．3．4 等效阻尼比

2．3．5 变形分量

2．4 本章小结

3 弯曲破坏型钢筋混凝土墩柱等效阻尼比

3．1 引言

3．2 完整加载循环的滞回曲线

3．2．1 滞回曲线上的特征点

3．2．2 滞回曲线的表达式

3．3 等效阻尼比模型

3．3．1 模型的建立

3．3．2 模型的修正

3．4 双墩柱桥梁的整体等效阻尼比

3．5 本章小结

4 弯剪破坏型钢筋混凝土墩柱等效阻尼比

4．1 引言

4．2 完整加载循环时滞回曲线

4．2．1 滞回曲线上的特征点

4．2．2 滞回曲线的表达式

4．3 等效阻尼比模型

4．3．1 模型的建立

4．3．2 模型的简化

4．3．3 模型的修正

4．4 本章小结

5 钢筋混凝土墩柱等效塑性铰长度模型

5．1 引言

5．2 等效塑性铰长度的概念

5．3 影响因素分析

5．3．2 屈服弯矩

5．3．3 极限弯矩

5．3．4 影响参数敏感性分析

5．4 等效塑性铰长度计算公式

5．4．1 塑性铰长度

5．4．2 钢筋拔出滑移的考虑

5．4．3 弯剪斜裂缝的影响

5．5 本章小结

6 基于位移的钢筋混凝土桥梁抗震设计

6．1 引言

6．2 抗震设防目标和设防准则

6．2．1 设计地震动

6．2．2 结构破坏准则

6．3 抗震分析模型

6．3．1 分析模型

6．3．2 混凝土和钢筋的材料强度

6．3．3 混凝土和钢筋的应力-应变关系

6．4 位移能力计算

6．4．1 弯矩-曲翠关系

6．4．2 水平位移能力

6．5 位移需求计算

6．5．1 能力谱和需求谱

6．5．2 目标位移

6．6 能力保护

6．7 工程设计实例

6．7．1 工程概况

6．7．2 弯矩-曲率分析

6．7．3 纵向抗震设计

6．7．4 横向抗震设计

6．8 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介