水平双向地震作用下薄壁方形截面钢桥墩抗震性能试验及实用算法研究

钢板局部失稳破坏是钢桥墩结构典型的地震失效模式之一,但目前仍缺乏既能考虑局部失稳影响,又可方便用于工程设计的结构地震反应计算方法。通过对2个薄壁方形截面钢桥墩试件施加沿斜向的水平反复荷载,研究结构的地震破坏形式和抗震性能;在钢材修正双曲面滞回模型的基础上,通过对结构参数分析结果的数据拟合,建立考虑钢板局部失稳影响的方形截面钢桥墩纤维模型算法。结果表明:薄壁方形截面钢桥墩结构在水平双向地震作用下,首先会发生墩底钢板局部失稳,在荷载达到最高点后墩底焊缝处出现超低周疲劳破坏,在两种地震破坏的共同作用下结构承载力迅速下降;通过与试验结果的对比,验证结构地震有效损伤域L_d内的纤维单元采用等效滞回模型能准确反映钢板的局部失稳效应,为工程设计提供一种高精度的实用计算方法。

横桥向地震作用对钢拱桥地震损伤发展的影响

为了研究横桥向地震作用对钢拱桥结构地震损伤发展的影响,以一座实际中承式钢拱桥为对象,建立考虑损伤区局部变形影响的全桥混合有限元(FE)模型.通过对结构进行不同峰值加速度地震作用下的弹塑性地震反应计算,对比分析在空间三维地震作用和仅在桥梁面内地震作用下钢拱桥的损伤发展情况.结果表明,横桥向地震动输入虽然不改变钢拱桥面内的位移时程响应及地震塑性损伤区域的分布位置,但会增大钢板发生局部变形的程度并加速焊接节点超低周疲劳损伤的发展,从而增大结构发生局部失稳破坏和超低周疲劳破坏的可能性.在钢拱桥的抗震设计中宜同时考虑3个方向的地震作用,以确保结构的抗震安全.

钢材的低周疲劳特性及双曲面本构模型的改进

为合理评估钢结构的地震损伤,研究结构钢的塑性变形与低周疲劳之间的耦合关系以及循环软化特性.通过对Q345qC钢材进行高应变反复加载试验,获得了相应的低周疲劳破坏和循环软化特性.通过研究承载力下降与塑性耗能密度之间的关系及对边界面进行缩放和移动,将循环软化特征引入材料的本构关系模型.在此基础上,采用改进后的本构关系模型对钢桥墩进行了反复荷载作用下的力学行为分析,讨论了循环软化对构件承载能力的影响.结果表明:Q345钢材具有较好的延性和较强的抗低周疲劳性能,试验未发现钢材塑性变形与低周疲劳之间存在明显的相关性;循环软化特征在较大的塑性应变状态下表现得更明显,修正后的双曲面本构关系模型可以较好地模拟钢材循环软化行为;考虑材料循环软化效应后,钢桥墩在反复荷载或地震作用下的承载力略有降低.

水平双向地震作用下钢桥墩损伤区域长度研究

钢板局部失稳是典型的钢桥墩地震破坏形式之一,因此在进行结构地震反应分析时需要考虑钢板局部变形对计算结果的影响。为了研究钢桥墩结构的地震损伤特征并为建立合理的杆系-板壳混合单元模型提供依据,以矩形截面钢桥墩为对象,采用板壳有限元模型和修正双曲面滞回本构模型分析了结构在水平双向反复荷载作用下的破坏过程,讨论了加载路径对桥墩承载力、延性以及极限状态下局部变形特性的影响;通过结构参数分析拟合了钢桥墩地震损伤区域长度预测公式;通过全板壳单元模型和杆系-板壳混合单元模型的桥墩弹塑性地震反应分析结果对比,验证了损伤区域长度预测公式的适用性。结果表明:钢桥墩在单方向上的承载能力和延性特性与荷载作用路径有关,沿正方形加载时结构的延性最小,沿斜方向加载时结构的承载力最小;荷载作用路径对钢桥墩极限状态下的损伤区域长度影响不明显;矩形截面钢桥墩地震损伤区域长度主要与截面宽度及横隔板间距有关,根据这2个参数建立的钢桥墩地震损伤域区域长度预测公式能够正确反映结构在水平双向地震作用下发生局部失稳的范围。该公式可为钢桥墩地震损伤范围预测以及合理混合单元模型的建立提供参考依据,但预测结果偏于保守,精度仍有待于进一步提高。

考虑火灾影响的钢材双曲面模型及力学分析

通过对现有试验数据的总结,研究了过火后钢材的弹性模量、屈服强度、极限强度、断后延伸率、屈服平台结束时刻的切线模量等重要参数的变化规律;考察了过火温度、冷却方式等因素对钢材弹塑性力学行为的影响,并构建了考虑火灾影响的钢材双曲面本构模型;通过对过火后钢桥墩的弹塑性力学行为进行分析,研究了火灾后结构承载能力的变化.结果表明：钢材在超过500℃的高温冷却后各力学参数均呈现下降趋势,且离散性特别大;受火后钢材塑性耗能和承载能力大幅下降,自然冷却条件下钢材残余承载力比浸水冷却更低;钢桥墩受火冷却后承载能力下降明显,最大可下降50%以上.