ECC增强高墩连续刚构桥桥墩塑性铰区的抗震性能研究

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工程用水泥基增强复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC),是一种纤维增强水泥基复合材料,具较高的延展性能和细密裂缝开展能力,在工程中广泛应用。国内外对其材料性能进行的研究,大多数是基于构件的研究,ECC应用在高墩连续刚构桥桥墩塑性铰区的研究还很少,本文以西部某铁路高墩大跨度连续刚构桥为工程背景,采用有限元分析软件OpenSees进行了以下研究。首先,梳理了国内外高墩连续刚构桥破坏形式和抗震性能评估以及ECC材料的发展和研究历程,介绍和总结了桥墩易损性的建立流程和Park-Ang指标、能力需求比、裂缝发展、位移延性比、弯矩曲率比等易损性指标。对比了国内外研究和各国规范中塑性铰长度的计算公式。其次,介绍了OpenSees建立高墩连续刚构桥有限元模型的流程,在普通混凝土RC桥墩的基础上,设计了3种潜在塑性铰区使用ECC增强的RECC桥墩方案,详细介绍了混凝土、钢筋、ECC材料的本构关系和建模的细节。对比分析了几种模型的周期和振型,并使用Midas Civil复核所建模型的模态。然后,使用OpenSees对桥墩构件进行静力往复加载,得到RC桥墩和ECC塑性铰区增强桥墩在不同轴压比下的水平力—位移滞回曲线、骨架曲线,并对比分析了4种桥墩的承载能力、耗能能力、延性性能和刚度特性等抗震性能指标。计算结果表明,和普通混凝土相比,ECC塑性铰区增强桥墩的承载能力更大、滞回曲线面积更大,耗能能力和延性性能均比RC桥墩更强、刚度退化更慢,ECC增强方案的抗震性能有明显提升。最后,考虑桥梁场地特征,利用规范反应谱和SIMQKE_GR软件生成20条人工地震波,对RC桥墩桥梁和ECC增强桥墩全桥模型进行增量动力分析(IDA)得到桥梁动力响应,根据延性曲率比确定易损性指标,考虑地震波的不确定性和材料不确定性绘出桥墩地震易损性曲线。计算结果表明,ECC加固桥墩能够提升桥墩的抗震能力。相对在墩顶采用ECC加固,在墩底加固提升桥墩的抗震性能的幅度更大,且墩底加固长度越大,提升程度越大。
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