部分填充混凝土带肋箱形截面钢桥墩的超低周疲劳性能试验研究

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部分填充混凝土钢桥墩由于其质量轻、强度高、延性好的特点逐渐得到广泛应用。然而在多次地震后的震害调查中发现,在强震下钢桥墩除了发生局部屈曲破坏以外,还有可能发生另一种新的破坏模式。钢桥墩在极大的塑性应变幅作用下,循环几十次甚至几次后便发生断裂,这种断裂具有明显的延性特征,不同于传统的高周疲劳破坏,被称作超低周疲劳破坏。开展部分填充混凝土带肋箱形截面钢桥墩的超低周疲劳性能试验,深入研究这一现象,对确保该类桥墩抗震性能的充分发挥具有重要意义。本文通过开展部分填充混凝土带肋箱形截面钢桥墩的超低周疲劳性能试验,研究该类桥墩的翼缘正则化宽厚比、试件正则化长细比、轴压比和混凝土强度等级等参数对试件超低周疲劳性能的影响,并基于试验和数值模拟方法研究该类桥墩的超低周疲劳性能。本文的主要研究内容和结论如下:(1)共设计12个试件,研究翼缘正则化宽厚比、试件正则化长细比、轴压比及混凝土强度等级等因素对试件超低周疲劳性能的影响。详细介绍了试件的尺寸、加载装置、加载方式以及测量装置。有限元预分析的结果表明,所设计的试验方案能够实现预期的研究目标。(2)对部分填充混凝土钢桥墩的超低周疲劳性能试验结果进行深入分析。通过对水平荷载-位移滞回曲线进行初始刚度修正,得到了试件真实的水平荷载-位移滞回曲线。试件的破坏模式具有延性破坏的特征,虽然所有试件均发生了超低周疲劳破坏和局部屈曲,但最终的破坏都是由超低周疲劳控制的。试件疲劳裂纹的扩展可分为以下三个阶段,分别为疲劳裂纹萌生前阶段、疲劳裂纹稳定扩展阶段和疲劳裂纹急速扩展阶段。直到进入疲劳裂纹急速扩展阶段,试件的承载力才开始出现大幅度下降。超低周疲劳裂纹萌生后,中间未开裂部位的翼缘压应变急速增大。试件的超低周疲劳裂纹萌生与扩展会使局部屈曲的发生变迟。随着极限位移幅的增大,翼缘处混凝土的破坏情况变得更加严重。(3)试验结果表明,翼缘正则化宽厚比越大,局部屈曲越明显,混凝土破坏越严重。试件的超低周疲劳裂纹萌生寿命和局部屈曲出现点都随着翼缘正则化宽厚比和试件正则化长细比的增大呈减小的趋势。翼缘正则化宽厚比越大,试件的最大承载力越小,延性越差,耗能能力也越差。正则化长细比对试件的最大承载力影响不大,但正则化长细比越大的试件延性和耗能能力越差,刚度退化速度越慢。随着轴压比的增大,试件的超低周疲劳裂纹萌生寿命增大,局部屈曲出现点变早。轴压比对试件最大承载力和刚度退化速度影响不大。当降低混凝土的强度等级时,试件的最大承载力降低,延性得到提高。填充C20混凝土试件的刚度退化速度较慢,混凝土损伤更严重,耗能能力变差。(4)分析对比了试验与数值模拟的水平荷载-位移滞回曲线、关键位置的应变和破坏模态等结果,验证了所采用数值模拟方法的有效性。分析结果表明,修正后的Ge模型非局部法损伤法可以准确预测部分填充混凝土带肋箱形截面钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命。
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