钢管混凝土核心柱组合桥墩的抗震性能研究

地震是危害桥梁安全的自然灾害之一，特别对于全部桥梁中占绝大部分的梁式桥，是历次地震中受损和垮塌最严重的桥型。桥墩是决定梁式桥抗震能力的关键结构，桥墩的严重破坏会导致桥梁的倒塌或不可修复，造成巨大的经济损失和社会影响，因此如何提高桥墩抗震性能是桥梁抗震研究的一个关键问题。本项目提出了一种钢管混凝土核心柱组合桥墩，可显著提高桥梁的抗震性能。本基金项目通过模型试验、数值模拟和理论分析相结合，考虑不同构造参数，开展了桥墩的承载力、变形能力、耗能能力的系统研究。研究结果表明，本项目所提出的核心柱组合桥墩相对于普通钢筋混凝土桥墩，具有更高的抗弯承载力、抗剪承载力、变形能力和耗能能力。通过提高桥墩的抗剪能力，避免了桥墩发生不可修复的剪切破坏，通过利用核心钢管混凝土柱可以大大提高桥墩塑性铰区的竖向承载力，避免桥墩塑性铰区发生不可修复的压溃破坏。由于桥墩具有更高的耗能能力，可显著减小地震产生的桥墩累计损伤。在试验研究和数值模拟的基础上，给出了组合桥墩承载力、变形的计算方法以及基于位移的抗震性能指标。综合考虑桥墩的抗震性需求、经济性和施工可操作性等，通过桥墩构造参数优化研究，给出了钢管混凝土柱的钢管尺寸和埋置范围的设计方法。本项目关于钢管混凝土核心柱组合桥墩的研究成果，为该类桥墩的设计提供了科学依据，很好地解决了钢筋混凝土桥墩发生不可修复破坏的问题。 2100433B

梁式桥占全部桥梁的绝大部分，是历次地震中受损和垮塌最严重的桥型。桥墩是决定梁式桥抗震能力的关键结构，提高桥墩抗震性能是桥梁抗震研究的关键问题之一。为此，本项目在普通强度钢筋混凝土桥墩内埋入钢管高强混凝土柱，提出了组合桥墩的设计思路，将普通强度混凝土延性好和钢管高强混凝土抗压、抗剪能力强的优点有机结合，大幅度提高桥墩的抗震性能。同时还提出了无粘结组合桥墩和只在塑性铰区埋置钢管混凝土柱组合桥墩两种抗震结构形式。拟通过对组合桥墩进行模型试验、数值模拟和理论分析，系统而深入地研究其抗震性能，建立其抗震分析理论。研究内容包括：系统地研究不同构造形式和结构参数的影响规律；给出抗震构造措施、承载力和刚度的计算方法；研究抗震分析力学模型和计算参数确定方法；基于性能抗震设计理念，研究组合桥墩恢复力模型和等效塑性铰长度、延性的计算方法，建立基于集中塑性铰模型的抗震分析方法，并提出地震损伤的量化指标和计算模型。

试验研究、理论分析和数值模拟相结合，深入研究带钢管混凝土边框柱的新型组合剪力墙在低周往复荷载作用下的抗震性能及破坏机理，同时进行带钢筋混凝土和型钢混凝土边框柱剪力墙的对比性试验。此外在部分钢管混凝土组合剪力墙的墙板中还将采用暗藏的双向钢斜撑，以期进一步提高其抗震性能，并在往复荷载作用后对破坏后的剪力墙采用碳纤维布对其进行修复和加固。. 通过本项目的研究，可得出往复荷载作用下不同轴压比、高宽比等参数条件下钢管混凝土组合剪力墙的开裂荷载、极限承载力、刚度、延性、耗能及破坏特征等，提供其抗弯、抗剪承载力和位移延性系数等的计算方法及简化分析模型，并对震后的钢管混凝土组合剪力墙修复提供设计建议。. 该类剪力墙可望在钢－混凝土混合结构等高层建筑中得到广泛应用，从而为更安全、合理地设计该类结构提供参考。 2100433B

钢管混凝土叠合柱是以钢管混凝土为核心，在外围绑扎钢筋并浇筑混凝土而形成的一种构件。这类构件形式已经在国内数十座高层和超高层建筑中得到了应用。在实际工程中钢管混凝土叠合柱常和钢梁或混凝土梁连接形成梁柱节点。而目前关于钢管混凝土叠合节点抗震性能的研究还比较少。因此，开展该方面的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。.本项目深入研究钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能。开展该类节点在柱顶恒定轴压力、梁端往复荷载作用下的试验研究，分析节点的破坏形态、承载能力和内力、变形发展规律。建立考虑材料损伤和钢-混凝土相互作用的节点精细化有限元分析模型。分析重要影响因素，如核心区轴压比、节点核心区性质、连接构造、楼板等对节点抗震性能的影响。建立节点核心区剪力-剪切变形关系和梁端弯矩-转角关系滞回模型，建立基于纤维梁柱单元的宏观节点单元模型。在此基础上提出钢管混凝土叠合柱-钢梁节点的抗震性能评价方法以及设计建议。