部分填充混凝土箱型钢桥墩的延性与超低周疲劳性能研究

It attracts the structural designers’ great attention to design the steel box-section bridge piers with excellent ductility when employng performance-based seismic design method. Numerous earthquake disasters indicate that local buckling and extremely low-cycle fatigue failure near the pier base are liable to occur, which results in rapid deterioration of ductility capacity. The project aims to evaluate and improve the ductility behavior and extremely low-cycle fatigue life of partially concrete-filled steel box-section bridge piers subjected to a constant axial load as well as cyclic lateral loading through both theoretical analysis and numerical simulation. The main research issues include: (1) An accurate constitutive law of interface between steel plate and filled-in concrete is developed to account for the interaction behavior between them; (2) In order to provide some theoretical evidences to improve the seismic performance of steel piers, the rules to influence the ductility and hysteretic behaviors by setting some studs on the steel plates of bridge piers are clarified; (3) An accurate elasto-plastic analytical formulation is proposed to predict the test results of partially concrete-filled steel piers, and through a series of parametric studies, some key factors influencing the ductility behavior and extremely low-cycle fatigue life of steel piers are investigated into details; (4) A simplified calculation method to predict the ductility capacity of the piers is proposed for the performance-based seismic design. The research results of this project will be very useful in providing some important theoretical innovations to improve the seismic performance of steel bridge piers in China.

基于性能的结构抗震设计方法中，使箱型截面钢桥墩具有良好的延性性能是设计师关注的重点。大量的震害表明，由于钢桥墩柱脚附近较易出现局部失稳和超低周疲劳破坏，导致钢桥墩的延性性能显著降低。本项目以部分填充混凝土箱型钢桥墩为对象，以提高钢桥墩的抗震性能为目标，以理论分析和数值模拟为手段，以基础应用性研究为特色，以评估和改善钢桥墩的延性与超低周疲劳性能锁定研究内容，提出精确模拟钢桥墩在承受恒定竖向荷载与水平往复荷载作用下的数值模拟方法，研究适用于钢板和内填混凝土之间的界面本构模型，揭示在钢板上设置栓钉对钢桥墩延性性能和滞回性能的影响规律，确立在钢板上设置栓钉的新型构造措施的有效性。通过试验与参数化分析研究，揭示影响钢桥墩延性和超低周疲劳性能的关键因素，确立钢桥墩性能化抗震设计的简化计算方法。本项目既有鲜明的学术前沿性，又有显著的工程应用价值，可为提高我国城市高架桥的性能化抗震设计水平提供理论支撑。

钢桥墩因其自重轻、占地面积少、施工快捷、补强加固容易、抗震性能优越等优点，在我国的城市高架桥、高速公路桥梁以及人行天桥等的建设中得到越来越广泛的应用。部分填充混凝土钢桥墩不仅具有显著的抗震性能，而且由于该类钢桥墩在施工过程中不需要额外支护模板，可以大大缩短施工工期，同时能够显著提高钢桥墩的防车辆撞击能力。大量的震害表明，由于钢桥墩柱脚附近较易出现局部失稳和超低周疲劳破坏，导致钢桥墩的延性性能显著降低。.本项目以提高部分填充混凝土箱形钢桥墩的抗震性能为目标，以弹塑性理论为基础，以理论分析和数值模拟为手段，以评估和改善钢桥墩的延性性能和超低周疲劳性能锁定研究内容，提出精确模拟钢桥墩在承受恒定竖向荷载与水平往复荷载作用下的数值解析方法，研究适用于钢板和内填混凝土界面之间的本构模型，揭示在钢板上设置栓钉对钢桥墩延性性能和滞回性能的影响规律；通过试验研究与一系列参数分析研究，揭示影响钢桥墩延性性能和超低周疲劳性能的关键因素，确立应用于钢桥墩性能化抗震设计的简化计算方法，提出预测钢桥墩超低周疲劳寿命的方法。本项目按照进度计划主要完成了以下研究工作：（1）精确模拟部分填充混凝土钢桥墩试验结果的数值模拟方法；（2）在钢板上设置栓钉的新型构造措施；（3）适用于部分填充混凝土钢桥墩性能化抗震设计的二维梁柱单元简化计算方法；（4）部分填充混凝土钢桥墩超低周疲劳破坏试验研究；（5）部分填充混凝土钢桥墩超低周疲劳萌生寿命与破坏寿命的预测方法。取得了预期的研究成果，已发表与本项目相关的国内外学术论文6篇，其中本领域内SCI收录高水平学术期刊论文1篇，编写结题报告期间2篇SCI论文正在外审。培养硕士研究生5人。.理论与技术成果可用来预测部分填充混凝土钢桥墩的抗震性能与超低周疲劳性能。研究成果为合理设计部分填充混凝土钢桥墩，以及提高我国高架桥的性能化抗震设计水平提供科学的理论支撑。