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自复位消能桥墩抗震性能分析.pdf

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I 摘 要 保障作为连接地震灾区和外界的重要建筑桥梁结构在地震下的结构安全以及震后性能良好对社会经济具有重要意义,而桥梁结构的抗震性能很大程度上取决于桥墩的抗震性能,所以提出一种抗震性 能更加优越的抗震桥墩体系非常迫切。本文结合结构消能减震技术与基于性能的抗震思想,研究自复位消能桥墩的基本组成、受力机理、理论计算和有限元模拟技术。通过数值计算和模拟技术推导出自复位消能桥墩的各组件的参数对桥墩性能的影响并验证自复位消能桥墩的优越性。本文具体的研究工作有 ( 1)提出了自复位消能桥墩的概念,即由桥墩本身承重、预应力筋提供恢复力、阻尼器耗散地震能量、利用嵌合接头将桥墩铰接于基础可抵抗水平剪力。研究了消能装置阻尼器的类型、性能和恢复力模型,并通过对比最终选择低屈服点软钢阻尼器作为自复位消能桥墩的耗 能组件。 ( 2)由各组件的力学性能推导出自复位消能桥墩滞回曲线是旗帜型的,引用某工程实例通过理论数值分析推导出自复位消能桥墩在水平往复荷载下的滞回曲线,并设计不同阻尼器屈服力、初始刚度和布置位置以及预应力筋的初始张拉力和刚度得出其对自复位消能桥墩的力学性能影响。通过对比结果得出阻尼器屈服力越大,桥墩滞回曲线越饱满;阻尼器的初始刚度对桥墩抗震性能影响不大; 预应力筋的刚度越大,桥墩柱在摇摆过程中的刚度也越大; 预应力初始张拉力越大, 桥墩柱摇摆临界荷载越大; 假设耗能全部由阻尼器提供,提出了桥墩的三步设计法。 ( 3)在滞回性能模拟方面,基于 sap2000 平台建立自复位消能桥墩的多弹簧模型,提出用多线性弹性弹簧代替预应力筋,用弹塑性弹簧代替阻尼器的简化数值模拟方法,并对该模型进行 pushover 分析,推导验证各组件对桥墩的滞回性能的影响。 基于该模型推导得阻尼器外置桥墩柱耗能最大,而数值计算结果得出阻尼器位置对桥墩柱滞回曲线基本没影响。其他组件参数的影响和数值计算结果一直。 同时对自复位消能桥墩和传统桥墩进行非线性动力时程分析,研究两种桥墩在地震波下的抗震性能。结果表明自复位消能桥墩多弹簧模型地震作用下性能稳定,自复位消能 桥墩的柱顶最大位移大于传统桥墩,残余位移是明显小于传统桥墩结构,震后性能良好。 关键词 自复位消能桥墩、受力机理、桥墩组件参数、多弹簧模型、拟静力分析、动力时程分析 基金项目 国家自然科学基金项目( 51208042); 陕西省自然科学基础研究计划项目 ( 2014JM2-5073) II Abstract Bridge structure is an important building connected to the earthquake zone and the outside world, its safety under seismic and good after the earthquake is great significance for social economy. And the seismic perance of bridge structure to a large extent depends on the seismic behavior of the bridge pier, so the seismic perance of piers that is more superior is studied in the paper ,it is very urgent. Combining with the structure of energy dissipation damping technology and based on the perance of the seismic, the structural components, mechanical perance, calculation theory and finite element simulation technology is studied. Through numerical calculation and simulation technique, the perance of the pier is derived from set components different parameters of self-centering and energy dissipating piers, and Verify the self-centering and elimination to the superiority of the piers. In this paper, specific research job are as follows 1 The concept of self-centering and energy dissipating pier is proposed, it load beared by pier、 self-centered by prestressed reinforcement、 the earthquake energy dissipated by dampers and horizontal shear resisted by jogged joint that pier is articulated in the foundation. The type of energy dissipation device damper, the perance and the restoring force model are studied. And by comparing energy dissipation device damper, the low yield point of mild steel damper is chosen as energy dissipation component of self-centering and energy dissipating pier. 2 Considering the mechanical properties of the components, hysteretic loop of self-centering and energy dissipation piers is flag type. Reference to an engineering example , hysteresis curve of self-centering and energy dissipating pier under horizontal loading is obtained according to numerical analysis theory. and designing damper different yield force, the initial stiffness, position and the initial tension , rigidity of prestress concluded its influence on the mechanical properties of self-centering and energy dissipating pier. By comparing results based on the different component parameters it is concluded that the greater the yield force of damper, pier hysteresis curve more full; The effect of the initial stiffness of damper is little; The greater rigidity of prestressed reinforcement, the bigger stiffness of bridge pier column in the swaying process; the greater initial tension of prestressed , the bigger critical load of pier column; Assume that all the energy consumption provided by the damper, the three steps of piers design is proposed. 3 In terms of hysteretic perance simulation, spring model of self-centering and energy dissipation piers is established based on sap2000 plat, and simplified numerical III simulation is using multiple linear elastic spring instead of prestressed reinforcement, the elasto-plastic spring instead of damper, To verify the influence of components for the hysteretic properties of the bridge pier; the pushover analysis and the dynamic time history analysis with the model have been done. Based on this model, energy dissipation damper outer bridge pier column is the largest, but the numerical results indicate damper position didn t have influence on the hysteresis curve of bridge pier column. The results of numerical calculation indicate the influence of other component parameters is same. At the same time nonlinear dynamic time history analysis is done for the self-centering and energy dissipation and traditional bridge piers, the seismic behavior of the two kinds of bridge pier is researched under seismic waves. Results show that the perance of the self-centering and energy dissipation piers spring model under earthquake action is more stable, the maximal displacement of the self-centering and energy dissipation piers is greater, residual displacement is much smaller than the traditional bridge pier structure, the perance of self-centering and energy dissipation piers after the quake is good. Key words Self-centering and energy dissipation piers; Stress mechanism; Pier components parameters; Multi-spring model; Quasi-static analysis ; The dynamic time history analysis. Funds Project Supported by the National Natural Science Foundation for Youth Grant No. 51208042; Project Supported by the Shaanxi Province Natural Science Foundation 2014JM2 -5073 IV V 目 录 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 自复位结构国内外主要现状及意义 ........................................................................... 3 1.2.1 自复位结构的理论和试验研究的发展历程 ..................................................... 3 1.2.2 自复位消能结构的数值模拟技术研究 ............................................................. 5 1.3 本文主要研究内容 ....................................................................................................... 6 1.3.1 研究目的及技术路线图 .................................................................................... 6 1.3.2 自复位消能桥墩的抗震机理理论研究 ............................................................ 7 1.3.3 自复位消能桥墩的建模方法及构件设计研究 ................................................ 7 第二章 自复位消能桥墩概念及消能组件研究 ...................................................................... 8 2.1 自复位消能桥墩的概念 .............................................................................................. 8 2.2 消能组件的研究 ......................................................................................................... 11 2.2.1 消能装置的类型及其滞回模型 ....................................................................... 11 2.2.2 低屈服点软钢阻尼器 ...................................................................................... 14 2.2.3 耗能组件软钢阻尼器的固定和安装 .............................................................. 15 2.3 本章小结 .................................................................................................................... 16 第三章 自复位消能桥墩力学机理和设计方法研究 ............................................................ 17 3.1 自复位消能桥墩的抗震机理研究 ............................................................................. 17 3.2 往复荷载下自复位消能桥墩力学机理理论研究 ..................................................... 17 3.2.1 自复位消能桥墩在水平荷载下的滞回曲线 .................................................. 18 3.2.2 自复位桥墩组件对滞回曲线的影响 .............................................................. 22 3.3 自复位消能桥墩柱的设计 ........................................................................................ 25 3.3.1 承重组件的设计 ............................................................................................... 26 3.3.2 耗能组件的设计 .............................................................................................. 26 3.3.3 自复位组件的设计 ........................................................................................... 27 3.3.4 基础和桥墩柱接头的设计 ............................................................................... 27 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 27 第四章 自复位消能桥墩有限元 模拟 .................................................................................... 29 4.1 自复位消能桥墩基于 sap2000 的有限元模型 ......................................................... 29 4.2 自复位消能桥墩基于 sap2000 的静力弹塑性分析 ................................................. 32 4.2.1 加载模式 .......................................................................................................... 33 4.2.2 试件设计 .......................................................................................................... 35 4.2.3 模拟结果及分析 .............................................................................................. 35 4.3 自复位消能桥墩基于 sap2000 的动力时程分析 ...................................................... 38 VI 4.3.1 地震波时程曲线的选取 .................................................................................. 40 4.3.2 地震波作用下柱顶水平位移结果分析 .......................................................... 42 4.4 本章小结 .................................................................................................................. 44 结论与展望 .............................................................................................................................. 46 参考文献 .................................................................................................................................. 47 攻读学位期间所发表的学术论文 .......................................................................................... 51 致 谢 ...................................................................................................................................... 52 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 一次大地震往往会造成一座城市突发性、毁灭性破坏,由此产生的次生灾害如火灾、疾病等也会给社会造成极大的经济损失,并产生深远的影响。我国处于环太平洋地震带,是全球地震多发地区之一,且具有地震发生次数多,强度大以及地震发生后影响大等特点。尤其,我国人口密度较大,农村地区和山区建筑物依然脆弱,地震带来的破坏更加严重。而且随着世界经济的不断发展,建筑行业开始趋向现 代化和高度工业化,对建筑物的抗震性要求也应随之提高,单纯的要求结构的不倒塌和不严重破坏已不能满足现代化的需求,所以需要更合理有效的结构体系和更完善的结构抗震设计规范和方法。 在国际上有研究者首先提出了 可恢复功能城市 ‖[1],也成为之后结构抗震的研究方向,紧接着研究人员也逐步考虑设计出可恢复功能结构,即设计一种在地震中不发生破坏或者仅发生可以快速修复的结构,它能够在地震中确保人们的生命财产安全,使得人们在震后快速恢复正常的生活。我国于 2011 年也明确了可恢复功能结构的概念 [2],并且在试验和实践上探索出可恢 复功能剪力墙、可恢复功能框架等结构。可恢复功能结构在实际工程上也有多种实现形式,例如自复位结构、摇摆结构、可更换构件结构等 [2,3],这三种或其中的两种方式也可以结合使用,如近来研究的自复位结构 [3]逐渐过渡成在自由摇摆结构(把结构与基础间或结构构件间交界面的约束放松,使得交界面处只有受压力而不承受拉力,此时结构在地震下发生摇摆的结构)中加入预应力筋(用来确保结构的稳定性)使结构在摇摆发生后仍能恢复到原位的结构。此结构涵盖了可恢复功能结构的自复位结构和自由摇摆结构的思想。 桥梁作为地震防护体系中的生命线工程 ,对震后及时救助生命,减少财产损失起到决定性作用,在交通体系中扮演着枢纽的角色。在地震作用时,桥梁需具备应有的运输连接能力,尤其是桥梁中最主要的构件桥墩的安全对救灾重建工作起着至关重要的作用。传统的抗震思想是通过保证桥梁自身的刚度、延性、强度来抵抗地震作用,以实现 小震不坏,中震可修,大震不倒 ‖的抗震目标,但是对混凝土结构刚度的满足往往是通过提高构件的尺寸,这样会增加构件的自重,地震作用相应增加,视为恶性循环。而且对于桥梁结构,在中震和大震作用下结构的修复很难满足救灾工作的需要,所以研究一种新型具备复位能 力和消能能力的桥墩结构也是非常迫切的,更有必要提出新的桥梁设计理念,既方便施工又经济安全,而且在强烈地震作用下桥梁无损伤,以满足地震灾后长安大学硕士学位论文 2 的运输需求。在汶川等的地震发生后,我们也发现桥梁的破坏往往发生在桥墩部分,如图 1.1,桥墩是整个桥梁结构的耗能保险丝,对结构的安全至关重要。 图 1.1 桥墩柱在地震下的破坏图 目前传统桥梁的抗震设计主要是采用两大设计方法,即延性设计方法和隔震设计方法。对于延性设计理论,桥梁结构系统是完全根据强柱弱梁的原则来设计的,以桥梁结构的最主要构件桥墩出现塑性铰的延性来耗散地震 能量。同时借助塑性铰区钢筋的屈曲和混凝土的往复受力来达到所需的延性。然而,这些由弹性变形到塑性变形所累积的变形在地震过后将引起永久残余变形。中震等作用后给结构所造成的残余变形等轻微损坏是可以修复,但是经过修复的桥墩承载力难以保证和预测。而破坏损坏严重的桥梁则需要重建,这既费时耗力又影响桥梁的正常的疏通功能。而隔震设计的主要抗震原理为通过延长结构的自振周期以隔开地震将要输入结构的能量,再将输入的地震能量用消能元件吸收掉,使桥梁免于地震下的损害。这些隔减震构件大都安置于桥墩顶端,即上部结构与下部结构的交接处,但 是隔震元件造价比较昂贵,且施工安装不太方便。在大震中,现在的设计方法虽然保证了桥墩的不倒,但其残余变形大,承载力性能难以保证,不能满足继续使用的功能。又因桥墩在桥梁结构抗震中的作用决定了桥墩现在还不能采用硬碰硬 ‖的方式来抵抗地震作用,故提出既能确保桥墩在地震作用后有业主可以接受的残余变形,使得桥梁结构基本无损伤,震后可以维持原有功能,又可以减少或者不使用昂贵的隔震元件的使用的新型自复位消能结构非常迫切。 一般的,自复位桥墩在地震作用时首先自身会发生一定的弯曲变形然后发生摇摆。本文研究的具有自复位消能功能的 桥墩结构可以确保地震后自行消除结构自身的永久变形,又可以使结构在遭遇大震后仍可以继续使用,保证地震中桥梁的安全运输功能。新型自复位消能桥墩也涵盖了结构控制理论和结构基于性能的设计方法。 第一章 绪论 3 1.2 自复位结构国内外主要现状及意义 1.2.1 自复位结构的理论和试验研究的发展历程 在我国古代,尤其是唐宋建筑发展的盛世时期,就有类似于自复位摇摆结构概念的金箱斗底殿堂型 ‖的建筑,如佛光寺东大殿,应县木塔等,其构造机理主要是在水平地震力下,柱偏摆、屋顶重量又使其恢复到原位,从而形成 高位不倒翁 ‖现象 [4],结构只有自身的 重力提供复位能力,结构的可靠性比较低,在现在的实际工程中这种应用受到很大的限制。近代,对自复位摇摆结构的首次提起要追溯于 Housner[5]在 1963 年报道的经历 1960 年智利大地震中考验的高位水槽,不经意间基础和上部结构的连接做了弱化处理,即允许水槽结构发生摇摆,其经受住了大震的考验。 1990 年初,美国和日本联合提出了标题为 预制抗震结构体系 ‖对预制的延性连接节点的发展起了非常重大的推动作用。 1991 年, Priestley 本着改善结构的非弹性反应、建模技术和设计规范的目的,把 预制抗震结构体系 ‖的发展 分成了三个阶段。第一阶段,结构概念的开发和评估;第二阶段,预制各分组件和结构整体的详细试验研究以及平行的进行分析方法研究;第三阶段,多层预制结构试件的框架抗弯和剪力墙抗剪的测试。之后的研究除了放松构件和基础的约束,也允许构件间放松约束,如放松框架结构柱和梁的约束。如 1993 年 Priestley 和 Tao[6]根据试验研究结果最终提出了允许预制框架结构体系中预制梁发生转动,形成了自复位框架的概念。对于只考虑摇摆的结构一般用于刚度比较大的结构体系是可行的,如半刚性摇摆桥墩被用于旧金山 -奥克兰海湾大桥改造加固中 。同时为保证摇摆结构具有良好的自复位能力,许多研究者在摇摆结构界面中加入无粘结预应力筋。如 Palermo 等 [7]研究了加入预应力的摇摆桥墩的抗侧力,发现其抗侧力是大于无预应力筋的摇摆桥墩。 1996 年 Priestley 和 MacRae[8]进行了无粘结预应力筋摇摆式钢筋混凝土框架节点的抗震性能试验研究。 1999 年, Kurama 等 [9]系统地研究了在钢筋混凝土摇摆剪力墙中加入后张拉无粘结预应力筋的结构摇摆性能,它的主要组成部件是抗侧力构件钢筋混凝土剪力墙以及布置在剪力墙内部的竖向无粘结预应力钢绞线,剪力墙体 与基础是分离的,在水平往复荷载下,剪力墙绕其中轴发生转动,然后由预应力钢绞线提供自恢复力。自复位摇摆剪力墙的试验结果是剪力墙的抗震性能表现稳定,即使在发生较大侧向变形时也几乎没有破坏,具有良好的自复位能力。 2000 年, Kurama[10]又针对后张拉摇摆自复位剪力墙提出了改进的方法,通过在墙底部增加了粘滞阻尼器,可以使其在墙体侧向变形时耗散地震能量。 同 年 , Rahman 和 Restrepo 在 Canterbury 大学对三个 1/2 比例的无粘结后张拉预
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