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原文传递海水冻融循环后钢筋混凝土桥墩抗震性能研究

论文题名：	海水冻融循环后钢筋混凝土桥墩抗震性能研究
关键词：	钢筋混凝土桥墩;低周往复荷载试验;抗震性能;恢复力模型;有限元分析
摘要：	高纬度沿海地区的冬季气温较低，沿岸表层海水与大气之间的温差相对较大，由于潮汐的周期性运动，近海桥梁的钢筋混凝土(Reinforcedconcrete，以下简称RC)桥墩长期遭受海水冻融循环作用的影响。结合现有的研究可知，混凝土材料在高盐环境下耐久性能和力学性能会显著地降低。混凝土材料耐久性能的降低会缩短桥梁的寿命，混凝土材料力学性能的降低会影响桥梁的抗震性能。目前为止，针对混凝土材料在海水冻融循环作用下力学性能的研究还不够充分，针对海水冻融循环后RC桥墩抗震性能的研究也鲜有报道。因此，本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法，对海水冻融循环后混凝土单轴反复受压本构关系、冻融深度以及RC桥墩抗震性能等问题进行了研究。本文的主要工作和结论如下: 　　(1)本文对海水冻融循环后混凝土试件进行了单轴反复受压试验，对比分析了海水冻融循环次数对混凝土材料单轴反复受压力学性能的影响。结果表明:海水冻融循环作用加快了混凝土力学性能的劣化速度;海水冻融循环后混凝土试件在单轴反复受压试验过程中，随着冻融循环次数的增加，初始模量和峰值应力显著降低，峰值应变逐渐提高，再加载模量的退化趋势不受冻融循环次数的影响。基于混凝土试件的单轴反复受压试验结果，本文提出了海水冻融循环后混凝土材料单轴受压损伤计算模型，并结合Mander模型中骨架曲线的计算公式，给出了基于海水冻融循环试验结果的混凝土单轴反复受压本构关系计算方法。　　(2)本文根据寒冷地区近海桥梁所处的自然环境，以预制节段拼装式RC桥墩为试验对象，设计出了适用于近海桥梁RC桥墩的水冻水融试验方案。通过对桥墩节段进行海水浸泡环境下的冻融循环试验，对比分析了不同海水冻融循环次数下桥墩节段表面水泥砂浆的剥落情况。在海水冻融循环试验的基础上，本文设计并制作了遭受海水冻融循环作用的桥墩试验模型，并通过低周往复荷载试验，研究了海水冻融循环作用对RC桥墩抗震性能的影响。结果表明:在相同的设计参数下，海水冻融循环作用会降低RC桥墩的承载力、初始刚度和总体累积耗能，同时会增大其峰值位移;在相同的海水冻融循环次数下，通过减小试验过程中的轴压比、增大试件的纵筋直径以及减小试件的箍筋间距等方式，可以提高海水冻融循环后RC桥墩的抗震性能。本文以试验研究为基础，并结合理论推导，给出了海水冻融循环后RC桥墩恢复力模型的计算方法，为寒冷地区近海桥梁的地震响应分析提供了参考。　　(3)本文采用超声层析成像技术，建立了混凝土材料冻融损伤的识别方法，绘制了不同海水冻融循环次数下RC桥墩横截面的冻融损伤分布云图，并以此确定RC桥墩冻融深度与海水冻融循环次数之间的关系。结果表明:在海水冻融循环试验的初期，RC桥墩无明显的冻融损伤;当RC桥墩表面的水泥砂浆发生大面积的剥落后，损伤分布云图出现明显的冻融损伤界限;在海水冻融循环试验的后期，RC桥墩冻融深度的变化值趋于平缓，说明RC桥墩在海水冻融循环过程中存在极限冻融深度。本文在热力学原理的基础上，给出了RC桥墩极限冻融深度的数值模拟方法，为在役近海桥梁的寿命预测和数值模拟分析提供了参考。　　(4)本文以混凝土材料的随机骨料模型为基础，通过细观单元等效化方法，建立了海水冻融循环后混凝土材料的等效细观单元模型，确定了海水冻融循环后混凝土单元弹性模量取值的双参数Weibull分布，并在此研究成果的基础上，结合RC桥墩冻融深度的研究结果，提出采用分层模拟的方法，最终建立了可考虑混凝土材料冻融损伤特性的RC桥墩实体有限元模型，并对海水冻融循环后RC桥墩的低周往复荷载试验进行了数值模拟。通过分析可知，数值模拟结果与试验结果的吻合度良好，表明本文提出的建模方法可以为寒冷地区近海桥梁的地震响应分析提供参考。
作者：	滕飞
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	邱文亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021