外包钢板加固钢筋混凝土桥墩锈蚀后的力学性能研究

摘要

高架桥作为交通网络中的重要组成部分，当地震来临时，高架桥能否正常使用决定了救灾物资能否第一时间内运进灾区以及地震伤员能否第一时间得到救治，所以它们的安全性显得异常重要。诸多地震灾害调查报告表明，桥梁在地震过程中发生严重破坏甚至倒塌主要是由于桥墩的破坏所致。由于钢筋混凝土桥墩在地震作用下容易在柱脚附近造成损伤，作为该类桥墩的加固方法，在钢筋混凝土桥墩周围包裹钢板的方法得到广泛采用。然而实际使用中发现，由于积水、腐蚀环境等的影响，钢板出现了不同程度的锈蚀现象，这些由锈蚀引起的损伤对于外包钢板加固钢筋混凝土桥墩产生多大影响，需要通过试验和数值模拟方法加以研究。
　　本文以外包钢板加固钢筋混凝土桥墩为研究对象，采用二维和三维弹塑性有限元分析方法，研究不同锈蚀模式以及由锈蚀引起的钢板与混凝土间粘结性能退化对桥墩水平承载力与滞回性能的影响规律。开展的研究工作以及得出的主要结论如下：
　　（1）建立二维弹塑性有限元分析模型研究桥墩底部附近钢板锈蚀率、锈蚀模式等参数对桥墩水平承载力的影响。研究发现桥墩的水平承载力随着底部钢板锈蚀率的增加而减小。对于腹板而言，局部锈蚀模式引起的水平承载力劣化远大于均匀锈蚀模式。
　　（2）建立三维弹塑性有限元分析模型研究桥墩底部钢板锈蚀位置、钢板厚度方向锈蚀程度、宽度方向锈蚀范围、以及由锈蚀导致的钢板-混凝土界面粘结性能退化等参数对桥墩水平承载力的影响。研究发现，钢板底部附近高度方向小范围的局部锈蚀对桥墩水平承载力影响不大；当腹板底部宽度方向局部锈蚀时，桥墩水平承载力的退化程度与钢板锈蚀位置、厚度方向锈蚀深度以及锈蚀影响范围等密切相关，而翼缘底部宽度方向局部锈蚀时桥墩水平承载力的退化程度仅与厚度方向锈蚀深度以及锈蚀影响范围相关，与锈蚀位置无关；随着钢板与混凝土界面粘结性能的不断退化，两者协同工作能力不断下降，桥墩的水平承载力也逐渐降低。
　　（3）建立以底部钢板锈蚀程度、钢板与混凝土界面粘结性能为变化参数的三维弹塑性有限元分析模型，从骨架曲线、延性系数、刚度退化系数、等效粘滞阻尼系数等四个方面研究上述变化参数对桥墩抗震性能的影响。计算结果表明，随着钢板底部锈蚀情况越严重，其抗震性能越差；钢板与混凝土间粘结性能越好，则其抗震性能越佳。以上研究成果有望为现役桥墩的维护管理与加固提供参考依据。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.3 本文的主要研究内容

第二章 外包钢板加固钢筋混凝土桥墩的二维锈蚀分析

2.1 概述

2.2 有限元分析方法的试验验证

2.3 既有桥墩的均匀锈蚀分析

2.4 既有桥墩的局部锈蚀分析

2.5 本章小结

第三章 外包钢板加固钢筋混凝土桥墩的三维局部锈蚀分析

3.1 概述

3.2 单元选取

3.3 三维有限元模型验证

3.4 外包钢板局部锈蚀对桥墩水平承载力的影响

3.5 钢板与混凝土间粘结性能退化对桥墩水平承载力的影响

3.6 本章小结

第四章 锈蚀对外包钢板加固钢筋混凝土桥墩滞回性能的影响

4.1 概述

4.2 材料滞回模型

4.3 抗震性能评价指标

4.4 有限元分析方法的试验验证

4.5 锈蚀对既有桥墩滞回性能的影响

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 本文主要研究成果

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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