基于性能的新型自复位桥墩抗震理论与试验研究

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本文研究了基于震后性能的新型自复位桥墩(SCP)的基本结构组成、力学性能、计算理论以及考虑残余变形的设计方法。通过理论分析、数值模拟以及试验研究相结合的方式对自复位桥墩的震后残余变形、基本结构组成、抗弯承载力、侧移刚度、滞回性能、动力特性以及设计方法等关键问题进行了研究。全文的主要研究工作和贡献如下:(1)研究桥墩延性系数对于残余变形的影响,指出了残余变形可以作为刻画震后性能的力学指标,在桥墩抗震设计中予以考虑和控制。(2)提出了新型自复位桥墩的通用基本结构组成的概念,将自复位桥墩划分为承重组件、自复位组件、耗能组件以及接头4大组成要素,对自复位桥墩的抗弯承载力和侧移刚度进行了理论分析,提出了自复位桥墩的内禀侧移刚度的概念以及理论解,用以定量地揭示承重组件刚度、自复位组件刚度、耗能组件刚度、桥墩尺寸以及自复位组件设置方式对自复位桥墩侧移刚度的影响。提出了自复位三步设计法(SC3S),供设计自复位桥墩使用。(3)对自复位桥墩结构进行了一系列试验研究。以传统延性桥墩为基础,针对性地设计了内置耗能自复位单柱桥墩、外置耗能自复位单柱桥墩以及外置耗能自复位双柱刚架桥墩等3个组别的试件,对试件进行了低周循环荷载作用下的拟静力试验,研究了各个试件的承载力、刚度、滞回耗能特征、残余变形特征以及各个组件的力学性能。(4)基于Opensees平台建立了自复位桥墩的纤维梁有限元模型(SCP-Fiber模型),将SCP-Fiber模型低周循环拟静力加载的计算结果与试验结果进行对比和分析,讨论了滞回特点的共性及差异。研究表明所建立的SCP-Fiber模型能够正确地反映自复位桥墩的结构组成以及滞回性能特征。在此基础上建立了多组SCP-Fiber模型,选取了12条地震波进行动力时程分析,研究了不同结构周期的自复位桥墩的地震响应特征,建立了自复位桥墩的非线性位移反应谱、加速度反映谱和最大吸收能量反应谱。研究表明,自复位桥墩不但具有与传统延性桥墩相当的承载力、刚度和滞回耗能能力,而且显著地减小了残余变形,震后性能更为出色。
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