内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的滞回性能研究

首先,利用试验方法对内填部分混凝土箱形截面钢桥墩在承受水平反复荷载作用下的滞回性能进行研究,探讨翼缘宽厚比参数和混凝土填充率对钢桥墩滞回性能的影响。然后,采用弹塑性有限元分析方法,对试验结果进行数值模拟。研究结果表明,钢桥墩的延性随着翼缘宽厚比的减小和混凝土填充率的提高而得到显著提高。由数值模拟得到的试件的滞回曲线、钢板局部屈曲模态等,与试验结果吻合较好。

内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的延性影响参数

为了研究内填部分混凝土箱形截面钢桥墩在恒定竖向荷载与柱顶水平往复荷载作用下的延性性能,建立三维弹塑性有限元模型,通过比较模拟结果与试验结果的水平荷载-水平位移滞回曲线和破坏模态,确定了所采用有限元分析方法的准确性与有效性.以翼缘宽厚比、柱长细比、混凝土填充率和柱轴压比为变化参数,建立56个三维弹塑性有限元分析模型,归纳总结了钢桥墩可能出现的各破坏模态:对于纯钢桥墩,局部屈曲发生在试件底部;对于内填部分混凝土钢桥墩,当混凝土填充率较小时,局部屈曲通常发生在内填混凝土上部钢板处;随着混凝土填充率的增大,局部屈曲出现在试件底部附近.最后分析上述4个参数对钢桥墩极限承载力和延性性能的影响规律.

往复荷载作用下部分填充混凝土箱形截面钢桥墩的破坏模式

为研究部分填充混凝土箱形截面钢桥墩在水平往复荷载作用下的破坏模式,通过建立弹塑性有限元分析模型并采用Ge模型非局部损伤法预测试件的超低周疲劳裂纹萌生寿命和局部屈曲寿命。在三种不同水平往复加载形式下,研究翼缘正则化宽厚比、试件正则化长细比和轴压比等参数对试件超低周疲劳裂纹萌生寿命和局部屈曲寿命的影响,并基于参数化分析结果,拟合了该类桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命和局部屈曲寿命预测公式,提出了确定该类钢桥墩破坏模式的方法。研究结果表明,当翼缘正则化宽厚比较小时,破坏模式以超低周疲劳破坏为主;当翼缘正则化宽厚比较大时,破坏模式以局部屈曲为主。只有同时考虑钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命和局部屈曲寿命,才能准确确定钢桥墩的实际破坏模式。研究成果可为该类钢桥墩的延性设计提供理论依据。

部分填充混凝土箱形截面钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命预测

为研究部分填充混凝土箱形截面钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命,通过与既有试验结果对比,确定所采用的钢材混合强化模型和混凝土损伤塑性模型的准确性,并且验证了Ge模型(基于塑性应变幅的累积损伤模型)非局部法在预测部分填充混凝土钢桥墩超低周疲劳寿命时的有效性。针对50%填充率的部分填充混凝土钢桥墩试件,利用Ge模型的非局部法,在3种不同加载形式的往复荷载作用下,研究翼缘宽厚比、正则化长细比等参数对超低周疲劳裂纹萌生寿命的影响,并基于参数化分析结果,拟合了预测该类钢桥墩超低周疲劳寿命的计算式。结果表明:钢材的混合强化模型和混凝土的损伤塑性模型能准确预测部分填充混凝土钢桥墩的滞回性能;Ge模型中的非局部法同样适用于部分填充混凝土钢桥墩的裂纹萌生寿命预测,基于参数化分析结果,提出了预测部分填充混凝土钢桥墩超低周疲劳裂纹萌生寿命的经验式。

均匀锈蚀下部分填充混凝土箱形截面钢桥墩的延性性能

研究了部分填充混凝土箱形截面钢桥墩均匀锈蚀后的延性性能退化规律。首先提出引入锈蚀率参数后的空心方钢管短柱的极限压应变公式,然后采用ABAQUS软件建立钢桥墩的三维弹塑性有限元分析模型,通过与已有试验结果的比较,验证有限元分析模型的正确性,考察水平荷载-水平位移骨架曲线、极限承载力以及延性比等与锈蚀率的变化关系。最后建立了二维梁单元模型,通过与三维模型计算结果的比较,验证二维模型修正系数在均匀锈蚀情况下的适用性。研究结果表明:随着锈蚀率的增加,钢桥墩的极限承载力和延性比均出现下降,其中翼缘宽厚比较小的钢桥墩延性比随锈蚀率的增加而显著下降。通过对钢管短柱的极限压应变计算式进行修正后得到的二维梁单元模型计算结果与三维模型计算结果吻合较好,有望为钢桥墩的工程设计提供快速高效的计算手段。

部分填充混凝土薄壁带肋箱型钢桥墩拟动力试验

为研究部分填充混凝土的薄壁带肋箱型截面钢桥墩在多遇和罕遇地震作用下的非线性动力性能,制作3根试件,分别不填充混凝土、底部填充20%及40%桥墩高度混凝土,通过MTS伺服加载系统进行此类试件的拟动力试验。试验采用日本阪神地震的JRT-NS波,得到不同工况下试件的位移时程曲线、荷载-位移滞回曲线和累积滞回耗能时程曲线。结果表明:多遇地震作用下,试件均处于弹性工作状态;罕遇地震作用下,底部填充混凝土的钢桥墩处于弹塑性状态,没有明显的破坏现象,表现出良好的抗震性能;对于试验采用的钢桥墩试件,随着底部塑性铰区域混凝土填充率的增加,管内混凝土对外围薄壁钢管发生局部屈曲的约束作用逐渐增大,桥墩的结构刚度、水平承载能力、最大响应位移、残留位移、耗能能力等抗震性能指标都随之得到显著改善。

内填部分混凝土钢桥墩延性性能简化计算方法

采用二维梁单元模型模拟内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的延性性能。考虑翼缘宽厚比、柱长细比和混凝土填充率三个参数,建立了20个二维梁单元模型。将模拟结果与三维精确有限元分析结果进行对比,提出了针对二维模拟结果的延性修正系数。将修正后的二维模拟结果与试验结果对比,吻合良好,验证了所采用有限元分析方法以及延性修正系数的准确性与有效性。研究结果表明:混凝土填充率的提高,可以有效提高钢桥墩的延性性能;翼缘宽厚比和柱长细比的增加会导致钢桥墩延性的降低。最后提出了钢桥墩最优混凝土填充率确定方法建议。