目前主流橋梁抗震計算中,多數(shù)采用橫橋向與縱橋向結(jié)構(gòu)計算,但對于橋墩在實際地震作用下處于三向受力狀態(tài),傳統(tǒng)計算方法忽略了耦合作用,且建筑工業(yè)化已成為發(fā)展主流,灌漿套筒廣泛應(yīng)用于節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩,對于預(yù)制橋墩的雙軸受力抗震能力研究尚未完善。為明確雙軸受力與單軸受力區(qū)別,以及拼裝墩柱在抗震能力上的主要影響因素,以某地鐵線墩柱為原型,建立OpenSees六彈簧樁基橋墩模型,運(yùn)用靜力和動力兩種計算方法,從能力-需求角度出發(fā),對比現(xiàn)澆橋墩、灌漿套筒橋墩和帶預(yù)應(yīng)力灌漿套筒橋墩三種類型墩柱,參數(shù)化研究其抗震安全性能并提出合理的設(shè)計建議公式,本文主要進(jìn)行了以下幾部分的工作:(1)基于現(xiàn)澆墩柱的雙軸循環(huán)加載分析,對彈塑性現(xiàn)澆墩柱模型分別進(jìn)行雙軸和單軸循環(huán)加載,從滯回曲線、骨架曲線、等效剛度、等效阻尼比等參數(shù)上,分析雙軸與單軸受力狀態(tài)的聯(lián)系與區(qū)別,并總結(jié)出結(jié)構(gòu)單軸和雙軸受力下恢復(fù)力修正模型。循環(huán)加載分析結(jié)果顯示,墩柱在雙向耦合作用下,承載能力有明顯下降,在順橋向(弱軸)和橫橋向(強(qiáng)軸),雙軸相比單軸的峰值荷載分別下降19.6%和16.7%,即雙向非等同配筋的墩柱,在兩個方向上的滯回特性具有明顯差異。(2)基于現(xiàn)澆墩柱的雙向Pushover分析,對彈塑性現(xiàn)澆墩柱模型分別進(jìn)行單向和雙向的Pushover加載,采用倒三角和均勻荷載兩種模式,得到墩柱的位移荷載曲線,參考ATC40計算現(xiàn)澆墩柱能力需求譜,進(jìn)而得到目標(biāo)位移,對比橋墩動力響應(yīng),驗證實際墩柱在雙軸受力下能否滿足抗震要求。推覆分析結(jié)果顯示,當(dāng)側(cè)向荷載為均勻荷載模式時,墩柱雙軸受力與單軸受力相比,弱軸和強(qiáng)軸方向峰值荷載分別下降14.4%和48.3%;當(dāng)側(cè)向荷載為倒三角荷載模式時,弱軸和強(qiáng)軸方向峰值荷載分別下降13.4%和48.5%。對比時程分析結(jié)果,墩柱若采用目標(biāo)位移為極限位移,墩柱不能滿足完全彈性要求,墩柱實際有塑性發(fā)展,以彈塑性理論評價則滿足抗震要求。(3)通過一般性的帶倒角截面,推到墩柱承載能力公式,分析忽略倒角的簡化對于計算結(jié)果影響程度。以一般性截面為基礎(chǔ),模擬現(xiàn)澆墩柱、帶預(yù)應(yīng)力筋灌漿套筒墩柱、以及帶預(yù)應(yīng)力灌漿不密實墩柱三種類型截面,通過參數(shù)分析,研究縱筋材料、軸壓比、縱筋配筋率、預(yù)應(yīng)力筋配筋率等因素對于墩柱承載能力影響。擬合無量綱公式,將公式拓展應(yīng)用到工程實際,并與三向地震動響應(yīng)結(jié)果對比,驗證擬合公式的抗震設(shè)計可靠性。由理論公式得,當(dāng)?shù)菇沁呴L不大于0.075倍的截面高度時,倒角矩形簡化為矩形截面計算時,可靠度才能超過95%。通過基于截面的參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),墩柱縱筋配筋率不改變屈服球的總體形態(tài),飽滿區(qū)域軸壓比值固定在45%-55%范圍不變,但縱筋的配筋率提升時,極限承載能力和極限抗彎能力隨之提升;預(yù)應(yīng)力筋對正常縱筋配筋的墩柱抗彎能力影響較小,預(yù)應(yīng)力筋配筋率在0.14%~0.27%范圍且縱筋率在1%左右時效果最好;經(jīng)過校核,擬合的設(shè)計建議公式,使用范圍為內(nèi)部矩形約束可等效矩形的截面。(4)對于預(yù)制拼裝墩柱,以雙軸受力分析為主要手段,將截面計算、循環(huán)加載計算和時程響應(yīng)計算三種結(jié)果對比,對現(xiàn)有規(guī)范提出灌漿套筒拼裝墩柱設(shè)計修正公式;分析預(yù)應(yīng)力應(yīng)用于灌漿套筒拼裝墩柱中對震能力影響,同時擬合出預(yù)應(yīng)力配筋最佳使用設(shè)計建議公式。循環(huán)加載下,帶預(yù)應(yīng)力的預(yù)制拼裝墩柱弱軸和強(qiáng)軸兩方向上,相比單軸現(xiàn)澆墩柱峰值荷載分別低6.8%和5.3%,相比雙軸現(xiàn)澆墩柱峰值荷載分別高15.9%和13.6%;時程分析下,無預(yù)應(yīng)力的拼接墩柱在弱軸和強(qiáng)軸方向相較現(xiàn)澆計算結(jié)果分別平均偏大8%和6%,有預(yù)應(yīng)力的拼接墩柱在弱軸和強(qiáng)軸方向相較現(xiàn)澆計算結(jié)果分別平均減少12.6%和4.3%;灌漿套筒的拼裝墩柱比現(xiàn)澆墩柱在能力上有所降低,預(yù)應(yīng)力筋配合灌漿套筒可以達(dá)到等效或優(yōu)于現(xiàn)澆墩柱的效果。提出拼裝墩塑性鉸高度應(yīng)上移一個套筒高度計算能力位移,等效為現(xiàn)澆墩柱計算出的需求位移應(yīng)乘以1.1的修正系數(shù),實際設(shè)計出的墩柱順橋向和橫橋向安全系數(shù)分別為1.3和1.2。
【學(xué)位單位】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U442.55
【部分圖文】：

圖 1.1 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型Fig. 1.1 Stress-strain model of concrete圖 1.2 屈服曲面Fig. 1.2 Failure surface單軸受力分析主要依據(jù)軸力-彎矩(P-M)曲線圖，這種計算方式忽略了雙軸受力時的耦合作用，雙軸受力分析則充分考慮材料塑性需求與能力。目前，分析柱構(gòu)件雙向壓彎的非線性全過程分析模型通常可分為三大類: 纖維模型、多彈簧模型和屈服面模型[16]。對于非對稱或非常規(guī)型的截面形式，多數(shù)采用屈服面模型[17]，繪制包含截面所有軸向的P-M 曲線，并從屈服球中任意截面得出對應(yīng)承載能力數(shù)值，如圖 1.2 所示。雙軸受力作用下，國內(nèi)外研究人員對 L 型截面[18]、方形截面[19]、圓形截面[20]、矩形空心截面[21]等進(jìn)行分析，得出不同屈服球形狀公式中指數(shù)系數(shù)，以及系數(shù)建議使用范圍。M.Y.Rafiq[22]等人提出一種創(chuàng)新的設(shè)計方法，強(qiáng)調(diào)了進(jìn)化計算在設(shè)計中的交互使用，以及一種新的搜索和解空間可視化方法，使設(shè)計者能夠在局部峰值附近查看個別的解決方案，以便了解更多有關(guān)設(shè)計參數(shù)之間的相互關(guān)系。Han Qiang[23]等人對不同軸壓比、縱向配筋率和側(cè)向配筋率進(jìn)行了參數(shù)研究。試驗結(jié)果表明，試件彎曲破壞模式及極限性能是由彎曲能力為主，破裂/屈曲拉伸縱向鋼筋在橋柱底部為代表。雙向受力和位移磁滯回線呈顯著剛度和強(qiáng)度劣化，擠壓效應(yīng)和耦合效

圖 1.1 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型Fig. 1.1 Stress-strain model of concrete圖 1.2 屈服曲面Fig. 1.2 Failure surface單軸受力分析主要依據(jù)軸力-彎矩(P-M)曲線圖，這種計算方式忽略了雙軸受力時的耦合作用，雙軸受力分析則充分考慮材料塑性需求與能力。目前，分析柱構(gòu)件雙向壓彎的非線性全過程分析模型通�？煞譃槿箢�: 纖維模型、多彈簧模型和屈服面模型[16]。對于非對稱或非常規(guī)型的截面形式，多數(shù)采用屈服面模型[17]，繪制包含截面所有軸向的P-M 曲線，并從屈服球中任意截面得出對應(yīng)承載能力數(shù)值，如圖 1.2 所示。雙軸受力作用下，國內(nèi)外研究人員對 L 型截面[18]、方形截面[19]、圓形截面[20]、矩形空心截面[21]等進(jìn)行分析，得出不同屈服球形狀公式中指數(shù)系數(shù)，以及系數(shù)建議使用范圍。M.Y.Rafiq[22]等人提出一種創(chuàng)新的設(shè)計方法，強(qiáng)調(diào)了進(jìn)化計算在設(shè)計中的交互使用，以及一種新的搜索和解空間可視化方法，使設(shè)計者能夠在局部峰值附近查看個別的解決方案，以便了解更多有關(guān)設(shè)計參數(shù)之間的相互關(guān)系。Han Qiang[23]等人對不同軸壓比、縱向配筋率和側(cè)向配筋率進(jìn)行了參數(shù)研究。試驗結(jié)果表明，試件彎曲破壞模式及極限性能是由彎曲能力為主，破裂/屈曲拉伸縱向鋼筋在橋柱底部為代表。雙向受力和位移磁滯回線呈顯著剛度和強(qiáng)度劣化，擠壓效應(yīng)和耦合效

(a)現(xiàn)澆整體(梭形) (b)預(yù)制搖擺(S 形) (c)耗能預(yù)制搖擺(旗幟形)圖 1.3 不同構(gòu)造方式的滯回曲線特征Fig. 1.3 Hysteretic curves of different structural modes內(nèi)外已有的試驗研究成果表明[26,27,28,29,30,31]，只要合理設(shè)計，預(yù)制拼裝橋幟型的滯回曲線，是一種抗震性能較優(yōu)的橋墩形式，且如果利用新材 料新設(shè)計理念，其可以獲得比現(xiàn)澆橋墩更優(yōu)異的抗震性能[28,31]。拼裝橋墩受局部壓應(yīng)變的底部接縫。已有的延緩局部受壓破壞的方式主要有塑性加密、鋼套筒、纖維混凝土、纖維加勁的水泥復(fù)合材料、墩與承臺之間等方式。試驗證明，較好的方式是采用鋼套筒約束方案[29,31,32]。地震作墩耗能能力弱，可以設(shè)置阻尼橡膠板[33]或外部阻尼器[31,34]，或者無粘結(jié)耗06 年，新西蘭的 Palermo 和 Pampanin 等對預(yù)制拼裝橋梁進(jìn)行系統(tǒng)研究預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計取值給出了指導(dǎo)意見[34]。已有的試件主要是大剪跨比受要承受彎矩，但是在小剪跨比情況下，剪切發(fā)生的破壞條件、破壞模式系統(tǒng)研究[35,36]。mashita R. and Sanders D.H 對無粘結(jié)預(yù)制拼裝空心墩開展了振動臺研究進(jìn)行了參數(shù)分析[37]。葛繼平等人對單軸式拼裝橋墩開展了擬靜力和振動

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本文編號：2826924