双柱式钢管约束钢筋混凝土桥墩力学性能研究

摘要

钢筋混凝土桥墩在桥梁中应用最为广泛，但存在自重大、延性低等不足；钢管混凝土桥墩虽然结构性能优越，但与基础及盖梁节点连接复杂，是阻碍其广泛应用的关键问题。针对以上问题，本文提出了两类新型的双柱式钢管约束钢筋混凝土桥墩，并对其力学性能进行了系统研究，具体内容包含以下几部分：　　①提出了双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩这种新型的组合桥墩形式，并进行了7个双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩和1个双柱实腹式哑铃形钢筋混凝土桥墩的抗震性能试验研究。试验参数包括哑铃形截面腹板尺寸、剪跨比和轴压比。基于试验结果，讨论了桥墩的破坏模式、荷载-位移曲线和钢管的荷载-应力发展。对试件承载力、延性、能量耗散、强度退化和刚度退化性能进行了分析。试验结果表明：哑铃形钢管的约束作用改变了双柱实腹式哑铃形钢筋混凝土桥墩试件的破坏模式，使试件从双柱实腹式哑铃形钢筋混凝土桥墩的剪切破坏模式变为双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩的弯曲破坏模式；双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩试件破坏模式主要受剪跨比影响较大；钢腹板和混凝土腹板是耗能重要组成部件，这使双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩表现出良好的抗震性能。　　②建立了双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩的有限元模型。考虑了几何非线性、材料非线性、钢管与混凝土的接触。模型结果与试验结果吻合较好，验证了模型的可靠性。在受力机理上详细分析了钢管及钢腹板的强度和厚度、混凝土的强度、轴压比、腹板尺寸及剪跨比对桥墩受力性能的影响。分析得到，当轴压比低于0.5时，轴压力对构件承载力起有利作用；剪跨比决定双柱实腹式哑铃形钢管约束混凝土桥墩的破坏模式，是影响承载力的重要因素；钢腹板尺寸影响拉力带的产生和分布。　　③结合试验和有限元分析，得出了双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩的力学性能受钢腹板斜拉场、混凝土腹板剪切力、内填钢筋混凝土截面弯曲承载力的影响。基于偏心受压基本理论，得到了双柱实腹式哑铃形钢管内钢管约束钢筋混凝土核心弯曲的简化模型，应用叠加原理，提出了双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩的承载力公式。该公式的物理意义明确，同时与试验分析结果吻合良好。基于截面等效抗弯刚度计算，提出了双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩的等效抗弯刚度分析方法，与试验结果吻合良好。　　④提出了双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩这一新型的桥墩形式，这是一种双柱的格构式桥墩，对4个双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩进行了抗震性能的试验研究。试验设计参数包括双柱圆钢管的切缝模式和轴压比。基于试验研究结果，分析了双柱排架桥墩的破坏形式、桥墩的荷载-位移曲线和钢管荷载-应力的发展。对试件能量耗散、延性、承载力、强度退化和刚度退化进行了对比。试验研究结果表明，切缝模式对双柱排架桥墩塑性铰产生的位置起控制作用，轴压比的增加对试件的承载力起有利作用。　　⑤建立了双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩的有限元分析模型。从力学的受力机理上分析了连接钢板强度、混凝土强度、连接钢板厚度、连接钢板高度、圆钢管厚度、圆钢管强度、轴压比及配筋率对双柱排架桥墩受力性能的影响。分析得到，在参数分析范围内，轴压比对双柱排架桥墩的承载力产生有利影响；切缝模式直接影响塑性铰产生位置和塑性铰的发展机制，切缝模式是影响双柱排架桥墩破坏模式的重要因素，连接钢板受力对双柱排架桥墩的承载力影响较小。　　⑥基于试验结果和有限元分析，得出了双柱钢管约束钢筋混凝土桥墩的力学性能主要受切缝模式、连接钢板强度和厚度的影响。提出了物理意义明确的双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩的塑性铰力学模型和承载力计算公式。基于截面等效抗弯刚度计算，提出了双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩的等效抗弯刚度分析方法，与试验结果吻合良好。提出了两类新型的双柱式钢管约束钢筋混凝土桥墩的构造措施和适用范围。

目录

1 绪 论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2.1 钢筋混凝土桥墩

1.2.2 钢管混凝土桥墩

1.2.3 钢管约束混凝土墩柱

1.2.4 哑铃形截面桥墩和耗能构件

1.2.5 研究现状小结

1.3 本文主要研究内容

2 双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究

2.1 概述

2.2 试验方案

2.2.1 试验目的及设计依据

2.2.2 试件设计制作

2.2.3 材料性能

2.2.4 加载装置及加载制度

2.2.5 测量方案

2.3.1 试验过程

2.3.2 破坏模式分析

2.4.1 滞回曲线

2.4.2 骨架曲线

2.4.3 耗能性能

2.4.4 刚度退化

2.4.5 强度退化

2.5.1 钢筋应变分析

2.5.2 钢管应力分析

2.6 本章小结

3 双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩有限元分析

3.1 概述

3.2.1 材料本构关系

3.2.2 单元选取和边界条件

3.2.3 各部分的接触关系

3.3.1 骨架曲线对比

3.3.2 峰值承载力对比

3.4 参数分析

3.4.1 混凝土

3.4.2 钢管和钢板强度

3.4.3 钢管和钢板厚度

3.4.4 轴压比

3.4.5 腹板尺寸

3.4.6 剪跨比

3.5 本章小结

4 双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩承载力和刚度

4.1 概述

4.2.1 破坏全过程分析

4.2.2 理论分析力学模型

4.2.3 双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土核心弯曲

4.2.4 钢腹板剪切

4.2.5 混凝土腹板剪切

4.3 刚度分析

4.3.1 截面分析简介

4.3.2 位移刚度计算

4.4 双柱实腹式哑铃形钢管约束钢筋混凝土桥墩构造措施和适用范围

4.5 本章小结

5 双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩抗震性能试验研究

5.1 概述

5.2 试验方案

5.2.1 试验目的及设计依据

5.2.2 试件设计制作

5.2.3 材料性能

5.2.4 加载装置及加载制度

5.2.5 测量方案

5.3.1 试验过程

5.3.2 破坏模式分析

5.4.1 骨架曲线

5.4.2 耗能性能

5.4.3 刚度退化

5.4.4 强度退化

5.5.1 钢筋应变分析

5.5.2 钢管应力分析

5.6本章小结

6 双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩有限元分析

6.1 概述

6.2 有限元模型简介

6.3.1 骨架曲线对比

6.3.2 峰值承载力对比

6.4 参数分析

6.4.1 混凝土强度

6.4.2 钢管和钢板强度

6.4.3 连接钢板厚度

6.4.4 连接钢板高度

6.4.5 圆钢管厚度

6.4.6 轴压比

6.4.7 配筋率

6.5 本章小结

7 双柱钢管约束钢筋混凝土排架桥墩承载力和刚度

7.1 概述

7.2.1 破坏全过程分析

7.2.2 理论分析力学模型

7.3 刚度分析

7.4 双柱式钢管约束钢筋混凝土桥墩构造措施和适用范围

7.5 本章小结

8 结论及展望

8.1 结论

8.2 创新性研究成果

8.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢