【摘 要】
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桥梁在使用的全寿命周期内,墩柱可能遭受各种侧向冲击荷载,随着立体化交通的快速发展,山区桥梁的日益增多,近年来我国桥梁因碰撞而破坏的事故呈增多趋势。对于桥梁结构的撞击动力分析,现有的规范或经验静力法虽有简单实用的特点,却难以反映墩柱动态响应特征,有限元模型模拟可以得到柱响应的准确预测,但这种方法并不能直接用于设计分析,两种方法均有其局限性。有鉴于此,本文旨在根据墩柱在遭受侧向冲击荷载时的动态响应特征
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桥梁在使用的全寿命周期内,墩柱可能遭受各种侧向冲击荷载,随着立体化交通的快速发展,山区桥梁的日益增多,近年来我国桥梁因碰撞而破坏的事故呈增多趋势。对于桥梁结构的撞击动力分析,现有的规范或经验静力法虽有简单实用的特点,却难以反映墩柱动态响应特征,有限元模型模拟可以得到柱响应的准确预测,但这种方法并不能直接用于设计分析,两种方法均有其局限性。有鉴于此,本文旨在根据墩柱在遭受侧向冲击荷载时的动态响应特征,建立一种高效准确的简化动力分析方法,当被撞墩柱被识别为发生剪切破坏时,通过比较撞击力峰值与抗剪能力来进行分析与设计,为桥梁的设计提供指导。主要内容及结论有:(1)以RC与UHPC梁/柱低速冲击试验为基础,建立了基于修正压力场理论(MCFT)的冲击荷载下受压墩柱2D动力分析模型。结合MCFT理论,探讨了基于二维膜单元的精细化冲击分析方法,获得了能准确识别冲击荷载下受压墩柱的破坏模式(特别是剪切破坏模式)的墩柱动力分析模型。结果表明:基于MCFT理论建立的动力分析模型可以很好地预测RC/UHPC柱的冲击响应,能准确识别冲击荷载下受压墩柱的破坏模式。(2)探讨了一种基于墩柱冲击后残余变形的墩柱抗冲击性能水平量化方法,根据试验结果验证了所提出方法的有效性,基于Vec Tor2对RC与UHPC墩柱在不同撞击位置作用下的抗冲击性能进行了有限元数值模拟研究,基于性能水平量化方法得到了墩柱不同撞击位置的极限能量曲线,并分析了不同配筋率、轴压比、高径比、墩柱直径等对极限能量曲线的影响。结果表明:墩柱撞击位置接近墩底时,更容易出现剪切破坏,此时,其抗冲击极限能力会明显下降。提高墩柱箍筋配筋率或增大墩柱截面等方法可提高墩柱抗剪承载力,避免其发生剪切破坏,从而提高墩柱的抗冲击极限能力。保证配筋体积相同,合理配筋的UHPC墩柱抗冲击极限能量能达到RC墩柱的3-4倍,表现出更优异的抗冲击性能。(3)面向RC/UHPC柱冲击下的剪切破坏行为,建立了一种基于拉压杆模型的墩柱动态抗剪承载能力计算公式。基于大量有限元模型数值分析结果,结合分析结果进行线性回归拟合出能够简便估计墩柱冲击力峰值PIF的经验公式。由峰值力、动态抗剪承载力以及墩柱破坏形态之间的函数关系,提出了墩柱抗剪设计流程,建立了RC/UHPC墩柱抗冲击高效动力分析方法。采用此方法研究了一座典型双柱墩的动态响应,结果表明:简化动力分析可以准确判断墩柱侧向冲击荷载下的动态响应。相比于建模复杂计算时间长的非线性接触有限元技术,该方法只需若干分钟手算,可节约大量计算时间,极大地提高了计算效率,可以简便高效地运用到实际工程中。
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