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地震作用下超高墩刚构桥倒塌破坏关键问题研究

作　者: 范振华
导　师: 张谢东
学　校: 武汉理工大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 地震超高墩倒塌劣化易损性抗震分析
分类号: U442.55
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来我国墩高超过100米的超高墩刚构桥发展迅速,是当前桥梁工程的重要前沿。然而近年来发生的几次大震中,不乏桥梁结构的倒塌事故,造成了巨大的人员伤亡和经济损失。超高墩刚构桥抗震安全,尤其是地震作用下抗倒塌能力成为亟待解决的重要课题。针对目前我国桥梁结构的抗震设计思想——“小震不坏、中震可修、大震不倒”,开展大型桥梁结构的倒塌分析、倒塌极限状态点的确定等有关倒塌问题的研究具有重要的现实意义。目前复杂结构的倒塌分析主要借助数值模拟的方法进行,准确建立结构的分析模型是倒塌分析要解决的首要关键问题。其次,合理的倒塌判别准则也是研究结构倒塌问题需要解决的关键问题,现有的倒塌判别准则主要是针对规则桥梁,对于动力响应复杂的超高墩刚构桥还需要专门进行研究。第三,结构在使用过程中由于环境或者其他因素不可避免的存在不同程度的劣化情况,不考虑这一因素,实际上只是对拟建结构的评估,因此,进行倒塌分析还要考虑结构在服役期间的劣化。本文首先对国内外研究现状进行了总结,指出了超高墩桥梁结构倒塌分析需要解决的关键问题。其次,提出了考虑纵筋屈曲的方法,并通过钢筋混凝土构件拟静力试验的数值模拟分析,研究了纵筋屈曲对构件后期破坏阶段的模拟的影响；研究结果表明所提出的方法能有效考虑试件在加载后期由于纵筋屈曲而导致强度和刚度的退化现象。第三,提出了超高墩刚构桥倒塌判别准则,建立了超高墩刚构桥基于单地震动IDA的倒塌分析方法,并运用该方法对一典型工程实例进行了倒塌全过程分析,探讨了超高墩刚构桥的破坏模式和倒塌机理；研究结果表明,纵向钢筋屈曲对超高墩刚构桥的倒塌性能影响很大,超高墩刚构桥在地震作用下的倒塌破坏模式为桥墩截面多处同时形成塑性铰的竖向倒塌破坏,所提出的基于墩顶竖向位移的倒塌判断准则适用于周期长、高阶振型贡献大的高柔桥梁。第四,研究了劣化对结构抗倒塌能力的影响,主要考虑了混凝土剥落、钢筋截面减少、和钢筋强度降低对超高墩刚构桥抗倒塌能力的影响；研究结果表明劣化对结构的自振周期和抗倒塌性能有影响。第五,在单地震动倒塌分析的基础上进行了多地震动倒塌分析,即倒塌易损性分析；研究表明考虑结构劣化的地震倒塌易损性分析能反映结构抗地震倒塌破坏的实际能力。本文研究工作可为超高墩刚构桥基于性能的抗震设计和地震倒塌研究提供参考。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-33
  1.1 背景与意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-22
    1.2.1 刚构桥抗震性能研究现状  13-15
    1.2.2 结构损伤评估研究现状  15-17
    1.2.3 结构劣化对桥梁抗震性能影响的研究现状  17-20
    1.2.4 倒塌研究现状  20-21
    1.2.5 国内外研究现状及分析  21-22
  1.3 桥梁结构地震倒塌分析方法  22-24
  1.4 倒塌破坏需要研究的关键问题  24-30
    1.4.1 结构性能退化的模拟  24-27
    1.4.2 倒塌破坏判别准则  27-28
    1.4.3 结构倒塌破坏的失效模式  28-29
    1.4.4 结构劣化对倒塌破坏能力的影响  29-30
  1.5 本文研究目的及内容  30-33
第2章钢筋屈曲的模拟  33-57
  2.1 引言  33-34
  2.2 OpenSees分析平台简介  34-35
  2.3 非线性理论分析模型的原理  35-41
    2.3.1 纤维模型的基本原理  35-37
    2.3.2 单元截面力与变形的关系  37-38
    2.3.3 空间梁单元刚度矩阵  38-41
  2.4 拟静力试验简介  41-43
  2.5 纵筋屈曲的模拟  43-47
  2.6 拟静力试验数值模拟分析  47-55
    2.6.1 钢筋屈服强度取值参数分析  47-49
    2.6.2 钢筋硬化系数取值参数分析  49-50
    2.6.3 积分点数目的取值对模拟结果的影响  50-51
    2.6.4 单元数目取值参数分析  51-52
    2.6.5 几何非线性对模拟结果的影响  52-53
    2.6.6 钢筋屈曲的影响  53-55
  2.7 本章小结  55-57
第3章基于IDA的超高墩刚构桥倒塌破坏研究  57-81
  3.1 概述  57-58
  3.2 基于增量动力分析法的结构倒塌研究  58
  3.3 倒塌标准的研究  58-65
    3.3.1 概述  58-59
    3.3.2 P-△效应对倒塌破坏的影响  59-60
    3.3.3 倒塌性能水准的量化  60-64
    3.3.4 倒塌能力点的确定准则  64-65
  3.4 超高墩刚构桥倒塌破坏分析  65-79
    3.4.1 分析方法  65-66
    3.4.2 结构模型  66-67
    3.4.3 材料模型  67-70
    3.4.4 分析结果  70-74
    3.4.5 结构破坏模式  74-77
    3.4.6 纵筋屈曲对结构抗倒塌能力的影响  77-79
  3.5 本章小结  79-81
第4章结构劣化对超高墩刚构桥抗倒塌能力的影响  81-96
  4.1 概述  81
  4.2 结构劣化对倒塌能力的影响  81-95
    4.2.1 钢筋截面减少对结构倒塌能力的影响  83-85
    4.2.2 钢筋强度降低对结构倒塌能力的影响  85-87
    4.2.3 钢筋截面减少,同时强度降低对结构倒塌能力的影响  87-89
    4.2.4 混凝土保护层剥落对结构倒塌能力的影响  89-92
    4.2.5 钢筋和混凝土同时劣化对结构倒塌能力的影响  92-93
    4.2.6 综合对比分析  93-95
  4.3 本章小结  95-96
第5章超高墩刚构桥抗地震倒塌易损性分析  96-108
  5.1 概述  96
  5.2 桥梁易损性研究概况  96-99
  5.3 倒塌易损性研究方法  99-100
  5.4 分析方法  100-102
  5.5 地震动输入  102-107
  5.6 本章小结  107-108
第6章结论与展望  108-110
  6.1 本文主要成果及结论  108-109
  6.2 研究工作展望  109-110
致谢  110-111
参考文献  111-122
攻读学位期间发表的论文及参与的科研项目  122

地震作用下超高墩刚构桥倒塌破坏关键问题研究

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