新型内嵌耗能壳板箱形钢桥墩抗震性能与设计方法研究

传统的钢筋混凝土桥墩由于自重大且延性差，在较强地震作用下易损坏，且难以修复。基于损伤控制理论，研发出新型内嵌耗能壳板的箱形钢桥墩，可提升城市抗震救灾能力，并能显著降低施工对城市生态环境和交通的不利影响。 为研究内嵌耗能壳板新型箱形钢桥墩的抗震性能，开展了新型箱形钢桥墩的拟静力试验、数值模拟和理论分析工作。分析了三向地震耦合作用、轴压比、长细比、截面高宽比、壁板宽厚比、内嵌壳板等构造对新型桥墩抗震性能的影响规律。同时探讨了新型箱形钢桥墩根部耗能区的轴压屈曲机理和变形性能，并研究了箱形偏心压弯钢柱的抗震性能。在试验研究和理论分析的基础上，提出了新型箱形钢桥墩的抗震设计建议公式。研究得出以下主要结论： （1）设置内嵌壳板后，新型箱形钢桥墩的承载能力和极限位移都有增大；骨架曲线下降段也变平缓，箱形钢桥墩的变形能力增强，延性更好。 （2）轴压比和内嵌壳板的横向加劲肋间距对新型箱形钢桥墩抗震性能的影响较为显著。轴压比和内嵌壳板的横向加劲肋间距越小，试件的承载能力和极限位移越大，骨架曲线下降段越平缓，箱形钢桥墩的变形能力和延性越好。 （3）设置壁板纵肋和增大内嵌壳板强度对箱形钢桥墩的承载能力和延性性能的影响相对较小。 （4）考虑三向地震耦合作用后，试件滞回曲线包围的面积将减小，试件耗能能力将降低。三向地震耦合作用对试件的变形能力影响较大，而对试件强度的影响相对较小。 （5）内嵌壳板可有效提高箱形钢桥墩的承载能力和变形能力，内嵌壳板厚度、壁板宽厚比、轴压比和长细比对新型钢桥墩抗震性能的影响较为显著。 （6）为便于新型箱形钢桥墩的抗震设计，在理论分析和数值模拟的基础上，建立了根部内嵌壳板耗能区的最小高度、轴力与弯矩相关稳定承载力及位移延性系数的计算公式。 通过本项目的研究，获得了内嵌耗能壳板箱形钢桥墩的屈曲传力机理、抗震性能和设计方法，为新型箱形钢桥墩的工程应用提供科学依据。 2100433B

传统的钢筋混凝土桥墩由于自重大且延性差，在较强地震作用下易损坏，且难以修复。本课题提出一种新型内嵌耗能壳板箱形钢桥墩，并基于损伤控制理论对其力学行为和抗震设计理论进行系统研究。通过新型桥墩的三向拟静力试验、数值模拟和理论分析，研究内嵌耗能壳板箱形钢桥墩屈曲机理、耗能机理以及内嵌壳板与桥墩壁板相关屈曲关系，获得新型桥墩的滞回特性曲线，建立钢桥墩的恢复力模型。同时分析三向地震耦合作用、轴压比、长细比、截面高宽比、壁板宽厚比、内嵌壳板等构造对新型桥墩抗震性能的影响规律。在试验研究与理论分析的基础上，提出新型内嵌耗能壳板箱形钢桥墩刚度、变形及其承载能力的简化计算公式，并提出不同性能水准下钢桥墩的抗震变形容许值。研究成果为新型内嵌耗能壳板箱形钢桥墩基于性能的抗震设计理论及工程应用提供科学依据。

针对传统剪力墙连梁抗剪能力不足、延性变形性能差且施工复杂等问题，利用钢板良好的塑性变形能力和屈服后不同拉力场特性，替代抗剪钢筋或交叉暗柱是提高连梁受力性能的一种有效措施。设计和改进内嵌钢板混凝土组合连梁的构造措施，提出内嵌双钢板混凝土组合连梁，并对其抗震性能和设计方法展开研究。采用试验研究、理论分析和数值模拟等手段，分析钢板厚度、高厚比、栓钉布置等对组合连梁破坏机理和抗震性能的影响，提出连梁恢复力特性曲线，揭示钢板屈曲后形成的不同拉力场分布和屈曲模态对连梁延性和耗能的影响机理。在参数分析基础上，建立组合连梁受弯和受剪承载力计算公式和抗剪理论模型。研究组合连梁各性能水准下的位移角限值或其他性能指标限值。通过数值模拟和理论分析，研究不同构造措施对节点破坏模式和抗震性能的影响，提出节点区钢板锚固长度、栓钉或其他连接件设计计算方法。研究成果可为钢板混凝土组合结构的设计理论及工程应用提供科学依据。

连梁作为核心筒的第一道抗震防线，一直是国内外科研工作者研究的重点构件，并以钢筋混凝土连梁为主要对象进行了大量的研究。但研究结果表明，钢筋混凝土连梁在各种新型配筋方案下，虽然综合抗震性能有所提高，但仍存在抗剪能力不足，剪切破坏严重，且滞回曲线具有明显的捏缩效应等问题，仅通过提高箍筋量和配筋形式对提高连梁延性和抗剪能力是有限的。 针对传统剪力墙连梁抗剪能力不足、延性变形性能差且施工复杂等问题，利用钢板良好的塑性变形能力和屈服后不同拉力场特性，替代抗剪钢筋或交叉暗柱是提高连梁受力性能的一种有效措施。设计和改进内嵌钢板混凝土组合连梁的构造措施，提出钢板混凝土组合连梁，并对其抗震性能和设计方法展开研究。采用试验研究、理论分析和数值模拟等手段，分析配板率、纵筋配筋率、配板形式等对组合连梁破坏机理和抗震性能的影响，提出连梁恢复力特性曲线，揭示钢板配置对连梁延性和耗能的影响。在参数分析基础上，建立组合连梁受弯和受剪承载力计算公式。研究成果可为钢板混凝土组合结构的设计理论及工程应用提供科学依据。 2100433B

针对既有RC桥墩普遍存在的严重抗震缺陷和现有桥墩加固方法存在明显局限性等问题，提出采用预应力钢套箍(PSJ)和FRP套箍复合加固桥墩技术。系统开展采用PSJ加固方法和PSJ-FRP复合加固方法加固桥墩抗震性能、抗剪性能和轴压性能试验研究和理论分析，研究参数包括加固方式、截面形式、剪跨比、加固率和预应力水平等。通过轴压性能试验，研究PSJ和PSJ-FRP复合约束下混凝土本构关系、不同受力阶段加固材料间的应力分配规律和加固桥墩轴向承载力计算方法。通过抗震性能和抗剪性能试验，研究各试验参数对桥墩各受力阶段强度、刚度、延性、耗能和破坏形态等的影响规律。建立加固桥墩抗弯、抗剪、轴压承载力计算方法、加固桥墩水平地震作用下各受力阶段强度、刚度、变形计算方法和恢复力模型，最终形成PSJ和FRP复合加固桥墩抗震加固设计方法。研究成果将为大量既有桥墩抗震加固提供一种新的选择，其应用将有效提升桥梁抗震防灾能力。