基于性能的钢管混凝土拱桥抗震性能校验与评估方法研究

Concrete filled steel tube (CFST) arch bridge has a wide application in engineering. But its theoretical research is backward comparing with engineering practice. Especially the study on seismic performance has not yet carried out in-depth. With performance-based theory, the seismic damage mechanism of CFST arch bridge is studied in strain calibration way, considering the allowable damage. First, cyclic loading test is done to study materials strain and component strain variation. The limited strain of CFST under axial, pure bending and compression bending can be got. And a criterion is determinded to divid the strain damage degrees. Secondly, different allowable damage of various components is simulated. Its impact to the bridge seismic behavior is analyzed by FEM. Based on this, the allowable damage degree of various components can be got. And the allowable damage performance matrix can be established about various components. Thirdly, several factors are considered, containing analysis model, analysis methods and the characters of meterial and component. Their impact to the seismic response is analyzed and the influence partial coefficient value can be provided. Finally, seismic response value of CFST arch bridge is corrected with partial coefficient and the correction result is compared to allowable damage performance matrix. The seismic performance of CFST arch bridge is validated and the security of various components under seismic loading is judged. The seismic performance of CFST arch bridge can be evaluated by the validation of various components. And a seismic performance evaluation method can be established for existing CFST arch bridge seismic assessment and new CFST arch bridge seismic design.

钢管混凝土拱桥在工程中有广泛的应用，但其理论研究滞后于工程实践，尤其是抗震性能研究尚未深入开展。本课题基于性能的思想，考虑容许损伤，进行地震反应值应变校验，研究钢管混凝土拱桥地震损伤机理。首先，通过反复加载试验，得到钢管混凝土轴向、纯弯、压弯受力下的应变极限值，并根据应变变化过程进行损伤度划分。其次，建立数值模型，分析钢管混凝土拱桥各构件，不同应变损伤程度对抗震性能的影响，确定构件的容许损伤度，建立容许损伤性能矩阵。再次，分析数值模型、分析方法、构件及材料特征等对地震反应值分析结果的影响，得到地震反应值各因素影响分项系数。最后，将分项系数修正后的应变反应值，与容许损伤性能矩阵对比，进行钢管混凝土拱桥抗震性能校验，判断拱桥各构件在地震作用下的安全性。通过各构件抗震容许损伤校验，综合评估该拱桥的抗震性能，建立抗震性能评估方法，为既有钢管混凝土拱桥抗震评估及新建钢管混凝土拱桥抗震设计提供依据。

钢管混凝土结构，有着承载力高、抗震性能好、施工便利、自重轻等优点，已被广泛应用于工程结构。在桥梁结构中，钢管混凝土在各类部件中均有应用。由于其受压性能优势明显，故在拱桥拱肋和桥墩中应用较广泛。由于拱桥上部结构重心较高，而桥墩是桥梁结构抗震重要的部件，故本研究针对钢管混凝土拱桥上部结构和钢管混凝土桥墩的抗震性能进行了研究。.本研究在钢管轻集料混凝土粘结滑移试验和钢管轻集料混凝土受压试验，结合现有研究成果得到钢管混凝土静力承载性能。通过钢管轻集料混凝土低周反复加载试验，对其抗震滞回性能进行了研究，并根据结构特征分析钢管混凝土构件抗震极限值。在试验研究的基础上，建立了钢管混凝土拱桥和钢管混凝土桥墩数值模型，进行地震反应值研究。基于性能的抗震设计思想，将分项系数修正后的位移极限值与反应值，进行钢管混凝土拱桥和钢管混凝土柱的抗震性能校验，判断拱桥各构件在地震作用下的安全性。研究通过试验获取结构地震反应极限值，有限元数值模拟分析获得结构地震反应值，基于性能的抗震校验方法对极限值和反应值进行抗震校验，建立了钢管混凝土桥梁结构的抗震性能校验和评估方法。.主要成果和结论如下：.（1）钢管轻集料混凝土黏结破坏荷载对应位移随长细比增大而逐渐递增。滑移过程中，试件长细比越大，零截面环向约束越大；轻集料混凝土滑移位移越大，零截面环向约束越小。.（2）钢管轻集料混凝土滞回曲线饱满，与普通钢管混凝土柱构件耗能性能相同，具有良好的抗震耗能性能。不同轴压比下，钢管轻集料混凝土的初始割线刚度不受轴压比影响。.（3）累计耗能随位移等级加载基本呈线性上升变化趋势；轴压比对构件的累计耗能影响较小，外径较大的构件其累计耗能较大。.（4）时程分析位移响应结果分析表明：在三向地震力作用下，纵向位移和竖向位移在地震作用下较小，而横向位移最值较大，与反应谱分析结果类似。拱肋关键截面横向位移最值，越靠近跨中位置，横向位移越大。.（5）采用时程分析法对钢管混凝土柱进行地震响应分析，在地震波的作用下，相同构件尺寸在轴压比为0、0.1和0.2的工况下，其横向位移和纵向位移地震响应值相差较小。不同轴压比对竖向位移地震响应值影响较大。钢管混凝土的横向位移地震响应值极值相对于纵向位移与竖向位移较大，竖向位移地震响应值最小。.（6）引入含分项系数的校验公式对量化的抗震性能目标进行校验，给出了校验公式中反应值与限值的求取步骤，建立了桥