钢筋混凝土桥梁非线性分析与基于性能的抗震设计

摘要

近年来，在工程抗震领域出现了许多新概念、新理论和新方法，其中基于性能的抗震设计理论是对传统的抗震设计思想的一次重大突破，是21世纪工程抗震设计规范的发展方向。本文在继承和发展国内外研究成果的基础上，针对钢筋混凝土桥梁结构基于性能的抗震设计存在的一些关键技术难题，开展了结构非线性分析方法、地震反应分析方法、性能水准的量化指标、地震设防水准、抗震性能目标、基于性能的抗震设计具体实现方法等方面的研究，主要完成了以下工作： 1、在前人研究的基础上，提出了改进的基于柔度法非线性梁柱单元，主要改进为：提出了简化的截面状态确定方法，大大降低了计算成本以及不收敛的可能性；单元状态的确定不需迭代过程；同时考虑了材料非线性和几何非线性问题。在MATLAB6.5平台上开发了结构非线性仿真工具箱NonlinSim(AMatlabToolboxforNonlinearSimulationsofStructures)，给出了三个算例验证了本文改进单元的有效性。 2、在NonlinSim中实现了钢筋混凝土结构的非线性静动力分析功能，开发了包含多种约束混凝土本构模型以及钢筋本构模型的材料库；提出了一种高效的截面弯矩—曲率分析方法；开发了滞回关系模型库，包括双线性模型、Clough刚度退化滞回模型、Park三参数滞回模型和光滑滞回模型；通过算例验证了NonlinSim用于钢筋混凝土结构非线性静动力分析的有效性。 3、系统比较了已有的钢筋混凝土结构地震损伤模型，对Park-Ang双参数地震损伤模型和Mander-Cheng低周疲劳损伤模型进行了基准研究。 4、应用混凝土压应变和钢筋拉应变定义了钢筋混凝土桥梁的性能水准，将桥梁的性能水准分为完全运营、有限运营和接近倒塌三个等级，对于接近倒塌性能水准还考虑了地震累积损伤影响；给出了悬臂桥墩的截面应变和墩顶位移之间的计算公式。 5、应用规则化滞回耗能系数提出了桥墩地震损伤的简化计算方法，回归分析得到了四类场地的规则化滞回耗能系数谱。 6、论述了静力弹塑性分析方法的理论基础、分析步骤、侧向荷载分布模式和结构目标位移的确定方法，重点研究了等延性地震需求谱的间接构造方法，通过统计回归分析得到了四类场地强度折减系数谱。 7、提出了钢筋混凝土桥梁基于性能抗震设计的地震设防水准、性能目标、分析方法及设计流程，设计过程分为五个基本步骤：概念设计、常遇地震下强度设计、设计地震下基于位移的设计、罕遇地震下基于位移的设计和抗震构造措施设计。通过一座桥梁的抗震设计实例，演示了本文方法的具体操作过程和可行性。

目录

文摘

英文文摘

创造性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1抗震性能目标

1.2.2抗震设计方法

1.2.3地震反应分析方法

1.3本文的研究目标、内容与方法

参考文献

第二章基于柔度法的非线性梁柱单元

2.1引言

2.2杆系模型研究进展

2.2.1集中塑性单元模型

2.2.2分布塑性单元模型

2.3改进的基于柔度法的非线性梁柱单元

2.3.1几何方程

2.3.2广义力和位移

2.3.3平衡方程

2.3.4几何方程的积分形式

2.3.5截面的本构关系

2.3.6单元柔度矩阵

2.3.7刚体运动模式

2.3.8结构和单元状态确定

2.3.9数值积分方法

2.3.10收敛准则

2.4算例

2.4.1端部受荷悬臂梁的材料非线性分析

2.4.2 William肘式框架的几何非线性分析

2.4.3压弯构件的非线性分析

2.5本章小结

参考文献

第三章钢筋混凝土结构非线性静动力分析程序

3.1引言

3.2材料的本构模型

3.2.1无约束混凝土

3.2.2约束混凝土

3.2.3钢筋

3.3截面分析程序

3.3.1截面力和变形的关系

3.3.2截面分析步骤

3.3.3弯矩—曲率关系曲线的线性化

3.4滞回模型

3.4.1多折线模型

3.4.2光滑模型

3.4.3 NonlinSim程序的滞回模型库

3.5 NonlinSim程序的分析功能及实现方法

3.5.1非线性静力分析

3.5.2非线性动力时程分析

3.6 NonlinSim程序验证

3.6.1钢筋混凝土构件的拟静力试验仿真

3.6.2二层框架的动力特性分析

3.6.3单层钢筋混凝土框架的Pushover分析

3.6.4单层钢筋混凝土框架的非线性时程分析

3.7本章小结

参考文献

第四章钢筋混凝土桥墩的损伤分析与性能水准定义

4.1引言

4.2地震损伤模型综述

4.2.1延性损伤模型

4.2.2刚度退化损伤模型

4.2.3低周疲劳损伤模型

4.2.4能量损伤模型

4.2.5变形和能量组合损伤模型

4.3地震损伤模型的基准研究

4.3.1 Kunnath等人的桥墩模型试验

4.3.2 Lehman等人的桥墩模型试验

4.4钢筋混凝土桥墩的性能水准定义

4.5目标位移的计算方法

4.6地震损伤分析的简化方法

4.6.1规则化滞回耗能系数

4.6.2规则化滞回耗能系数的统计回归分析

4.7本章小结

参考文献

第五章桥梁结构静力弹塑性分析方法

5.1引言

5.2 NSP方法的基本理论

5.2.1基本假定

5.2.2等效单自由度系统

5.2.3基本步骤

5.3弹塑性地震位移响应的确定方法

5.3.1 ATC-40能力谱法

5.3.2 FEMA 273位移系数法

5.3.3 N2方法

5.4等延性地震需求谱的构造方法

5.4.1其他学者提出的强度折减系数谱

5.4.2本文提出的强度折减系数谱

5.4.3与其他学者研究成果的比较

5.4.4等延性地震需求谱的构造实例

5.5本章小结

参考文献

第六章钢筋混凝土桥梁基于性能的抗震设计方法

6.1引言

6.2地震设防水准

6.3性能目标

6.4基于性能的抗震设计方法

6.4.1概念设计

6.4.2多遇地震下的强度设计

6.4.3设计地震下基于位移的设计

6.4.4罕遇地震下基于位移的设计

6.4.5抗震构造措施

6.5算例

6.5.1 工程概况

6.5.2设计过程

6.5.3罕遇地震下桥墩的弹塑性动力时程分析

6.6本章小结

参考文献

第七章结论与展望

7.1本文的主要研究结论

7.2未来研究工作展望

附录

攻读博士期间发表论文情况

致谢