地震作用下钢管混凝土桩损伤性能研究

摘要

由于良好的力学性能和抗震性能，钢管混凝土桩作为一种组合设计形式在地震区建筑中得到了广泛应用。对钢管混凝土桩抗震性能的研究一直是国内外的研究热点，许多研究者通过抗震试验对钢管混凝土的抗震性能进行了探讨。但是大部分研究者的侧重点都是放在钢管混凝土的承载力、滞回性能以及建立滞回模型的研究上，很少考虑地震作用下钢管混凝土桩的疲劳损伤，以及由于疲劳损伤的累积而导致的钢管混凝土的累积损伤破坏。本文针对钢管混凝土桩在地震荷载下的力学性能和疲劳累积损伤问题进行了数值模拟较为系统的理论分析。
　　模拟结果表明钢管混凝土具有良好的抗震滞回性能和耗能能力，即使钢管混凝土产生了较大的变形也不会发生严重的承载力退化现象。钢管混凝土桩滞回曲线的荷载和刚度退化随着侧移率的增大而加快，说明在较大的变形条件下，往复变形一次对钢管混凝土造成的损伤也大;随着侧移率的减小，钢管混凝土的滞回耗能能力明显增强。研究表明，承受低周往复荷载作用的钢管混凝土桩在破坏时钢管断裂处的应变并没有达到单调拉伸时的极限应变，钢管是在拉应力和压应力的反复作用下产生了疲劳损伤，当钢管的损伤累积到一定程度时，最终发生疲劳断裂。
　　本文建立了反映钢管混凝土桩低周疲劳寿命的改进Manson-Coffin关系模型，得出了钢管混凝土桩变形和疲劳寿命的关系曲线。与前人试验数据相比，理论曲线能够比较合理地反映这几类钢管混凝土桩在不同变形条件下的疲劳寿命。综合Miner的线性累积损伤理论和钢管混凝土桩的循环耗能规律，建立了钢管混凝土桩的基于耗能的改进线性累积损伤模型。基于连续介质损伤力学的基本理论和钢管混凝土的弹塑性分析，建立了钢管混凝土构件在单调荷载和低周往复荷载下的简化损伤梁单元模型，该损伤模型形式简单，具有明确的物理和力学意义，比较适合用于地震作用下的钢管混凝土桩的损伤分析。

目录

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出和研究的意义

1．2 钢管混凝土桩的应用与研究现状

1．2．1 钢管混凝土桩在工程实践中的应用

1．2．2 钢管混凝土桩的研究现状

1．2．3 钢管混凝土抗震性能研究中的计算理论和方法

1．3 研究内容和方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 研究目标

2 钢管混凝土桩受力机理及损伤理论

2．1 钢管混凝土桩的基本特征

2．1．1 钢管混凝土桩的特点

2．1．2 钢管混凝土桩的基本受力机理

2．1．3 钢管混凝土桩的力学性能

2．2 工程抗震中的疲劳损伤理论

2．2．1 建筑材料的疲劳损伤

2．2．2 工程结构和构件的低周疲劳性能

2．3 钢管混凝土桩的累积损伤性能

2．3．1 累积损伤理论

2．3．2 钢管混凝土桩的累积损伤模型和损伤评估

2．4 本章小结

3 钢管混凝土桩的非线性分析

3．1 钢管混凝土模型桩的滞回性能分析

3．1．1 OpenSees简介

3．1．2 滞回本构关系的选取

3．2 计算模型的选取

3．3 钢管混凝土桩的单元模型

3．4 本章小结

4 钢管混凝土桩的简化损伤模型

4．1 概述

4．2 损伤变量基本概念

4．3 简化损伤梁单元

4．3．1 损伤构件的状态方程

4．3．2 损伤函数与屈服函数

4．3．3 损伤指数

4．4 单调荷载下钢管混凝土桩的损伤演化分析

4．5 往复荷载下钢管混凝土桩的损伤分析

4．5．1 钢管混凝土桩在低周往复荷载下的损伤演化过程

4．5．2 基于损伤的钢管混凝土桩滞回模型

4．5．3 考虑损伤的钢管混凝土桩滞回性能模拟

4．6 本章小结

5 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望及建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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