基于塑性铰模型的rc空心矩形桥墩抗震性能研究

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1、基于塑性铰模型的RC空心矩形桥墩抗震性能研究第1章绪论1.1引言地震是一种破坏性巨大的自然灾害，尤其是大震的发生常常伴随巨大的能量释放，引发强烈的地面振动、地面开裂与变形，造成各类建筑物、构筑物、基础设施以及道路桥梁工程的破坏，给人类带来难以估计的人畜伤亡和经济损失。表1-1列出了近10年7级以上地震损失[1]。表1-2[2]则给出了1989到1999的10年中世界范围内6次著名地震中，因道路桥梁破坏导致的经济损失统计金额。我国是一个地震频发国家，受太平洋、印度、和菲律宾海三大板块的挤压，断裂带表现活跃。随着我国综合实力的提升，作为生命线工程的道路桥梁建设突飞猛进，然

2、而其一旦遭受震害，将会严重影响震后救援和恢复，造成不可估量的损失。因此，近年来桥梁抗震的研究也越来越受到我国科研人员关注。21世纪以来，我国桥梁建设突飞猛进，尤其在西北和西南交通不便、地势险峻地区建成了高墩大跨桥梁。因为钢筋混凝土空心桥墩的受力性能、抗震性能良好，而且可以大大节约材料，所以在桥梁建设中被广泛使用。这些高墩大跨桥梁的桥墩多使用空心矩形截面。空心桥墩的应用大大节省了道路建设成本[3]。建国前开始兴建到1954年完工的湘潭湘江铁路大桥中使用了许多空心桥墩，如图1-1所示。近些年，随着滑动钢模板、预应力拼装等空心桥墩施工技术逐渐成熟，空心桥墩逐渐向大跨度、高耸

3、桥墩方向发展[3]。比如，2008年建成的苏通大桥，其南岸主桥墩8#墩的截面形式为空心矩形，如图1-2。目前，虽然空心桥墩理论体系已有所建立，但是还很不成熟，而且全世界范围内地震灾害时有发生，于是海内外科研工陆续开展对空心桥墩抗震方面的深入研究。虽然海内外空心高墩拟静力试验和实心高墩振动台试验研究较多，但是关于空心矩形桥墩缩尺和足尺模型的振动台试验与相关数值试验研究尚少，基本处于空白状态[4]。.........1.2研究现状近些年，太平洋地震工程研究中心(PEER)、美国国家地震工程研究中心(NCEER)、美国加州大学伯克利分校地震工程研究中心(EERC)、日本东京

4、大学地震研究所等国际著名研究高校和地震工程研究所，针对截面形式、截面纵筋配筋率、轴压比、箍筋间距及约束形式、体积配箍率等不同设计参数，制作了一系列钢筋混凝土实心、空心足尺和大比例桥墩模型，进行了低周往复试验、拟动力试验、振动台试验、以及相关数值试验，获得了许多珍贵的研究数据和成果，促进了空心桥墩抗震理论体系的发展。例如，2015年2月由PEER和EERC共同设计的足尺桥墩地震模拟振动台试验，如图1-3所示。但是，相比于其他种类的钢筋混凝土构件，对空心桥墩的研究远远不够，目前世界范围内的空心桥墩研究成果基本都是基于试验，并没有形成完整的理论体系。我国对空心桥墩的抗震性能

5、研究远远落后于国外。虽然，近几年我国在空心桥墩的施工技术方面不断成熟，空心桥墩的试验研究项目也越来越多，但是理论研究成果却远远不足[4]。而且国内科研院所主要针对实心桥墩作拟静力或振动台试验，且试验的桥墩试件尺寸小。对空心桥墩多为拟静力试验及相关数值模拟研究，空心桥墩的振动台试验与数值模拟研究基本处于空白状态。..........第2章钢筋混凝土桥墩塑性铰数值模型规则性桥梁能够简化为单墩模型进行研究分析，对规则性梁桥，在强烈地震作用下的最主要是桥墩破坏；上部结构通常只发生轻微损坏。桥梁结构的顶部质量远大于下部质量，地震激励引起的水平地震作用力，主要作用于上部结构，靠下

6、部结构来承受，所以，下部结构会受到的很大的水平地震作用力进而发生损坏。在下部结构中，因为基础一般埋置于地平面以下，震后破坏部位难以及时被发现，而且基础修复的难度和成本要远高于其他部位，所以，一般在强烈地震作用下基础要避免产生塑性铰。所以，塑性铰的产生部位就选择在RC桥墩上。当强烈地震发生时，桥墩的最大内力一般产生在桥墩的底部，即塑性铰特别容易产生在桥墩的底部，如图2-1所示。2.1塑性铰纤维模型在地震作用下，桥墩受到竖直方向上重力和桥墩上部结构的水平惯性力，桥墩顶部的侧向变形主要包含弯曲变形、纵向钢筋粘结滑移引起的变形以及剪切变形。正常的箍筋约束作用下，当剪跨比??2

7、时，其剪切变形相对于总变形的来说值很小，可以不考虑。纵向钢筋粘结滑移引起的变形可占总变形的20%~50%。所以在桥墩的非线性反应分析中只需要计算弯曲变形和纵向钢筋粘结滑移引起的变形。从式2.1可以看出，如果已知沿墩长方向截面弹性曲率和塑性曲率分布的表达式，就能够求出墩顶的弯曲变形。钢筋混凝土桥墩在地震作用下沿墩长方向曲率分布复杂且难以用准确公式表达，如图2.1（c）所示。考虑到求解起来尽可能的简单，不同学者给出了不同的塑性曲率分布模式，而一般都把弹性曲率按线弹性分布处理，常见分布模式有矩形分布模式（Priestley和Park建议）、抛物线分布模式（