前言

第1章 钢桥地震破坏形式及结构抗震性能要求 1

1.1 概述 1

1.2 钢桥结构地震损伤形式 3

1.3 桥梁结构抗震设防目标 6

1.4 钢桥抗震性能要求 9

参考文献 9

第2章 设计地震动 11

2.1 概述 11

2.2 地震及地震动传播的基本特征 11

2.2.1 地震机理及断层的形式 11

2.2.2 地震波的传播过程 13

2.3 场地增幅特性 14

2.3.1 简谐剪切波在单一覆盖层场地中的传播 14

2.3.2 简谐振动波在界面上的反射、透射 16

2.3.3 层状场地中简谐波的传播 17

2.3.4 场地地震运动计算 19

2.4 设计地震动参数设定 22

2.4.1 基于历史地震资料的设计地震动设定方法 22

2.4.2 考虑震源距离的场地地震动参数评估方法 25

2.5 地震动时程模拟 27

2.5.1 历史地震动记录的调整 27

2.5.2 人工地震动的模拟 28

2.6 小结 30

参考文献 30

第3章 结构地震反应计算模型 32

3.1 概述 32

3.2 弹塑性地震反应分析的有限元模型 33

3.2.1 弯矩曲率模型 33

3.2.2 纤维模型 36

3.2.3 板壳模型 40

3.3 有限元模型对结构地震反应计算结果的影响 45

3.3.1 桥梁概况及计算模型 45

3.3.2 成桥状态的结构应力及自振特性比较 47

3.3.3 地震动输入及结构地震反应 49

3.4 钢材的滞回本构模型 52

3.4.1 钢材的应力-应变曲线 53

3.4.2 等向强化模型和随动强化模型 54

3.4.3 混合强化模型 54

3.4.4 双曲面模型 56

3.4.5 修正双曲面模型 58

3.4.6 改进的双曲面模型 61

3.4.7 其他滞回本构模型 65

3.5 钢材双曲面模型的材料参数 67

3.5.1 试验概况 67

3.5.2 试验结果及双曲面模型参数的测定 68

3.5.3 Q345q钢材的滞回性能 76

3.6 小结 76

参考文献 77

第4章 钢桥墩的结构抗震性能 80

4.1 概述 80

4.2 钢桥墩在水平单方向地震作用下的滞回力学性能 80

4.2.1 结构参数及国外钢桥墩抗震性能验算方法 80

4.2.2 圆形桥墩的滞回力学特性 84

4.2.3 矩形桥墩的滞回力学特性 88

4.3 钢桥墩在水平2方向地震作用下的滞回力学特性 93

4.3.1 试验研究现状 93

4.3.2 水平2方向地震作用下的桥墩抗震性能评价方法 100

4.4 水平2方向地震作用下桥墩结构损伤特性数值分析 103

4.4.1 圆形桥墩结构的地震损伤特性及损伤域长度 104

4.4.2 矩形桥墩结构的地震损伤特性及损伤域长度 110

4.5 小结 112

参考文献 112

附录 压缩钢板的宽厚比参数 114

附4.1 考虑弯曲变形的压缩板平衡方程 114

附4.2 受压钢板宽厚比参数RR的确定 115

附4.3 受压钢板宽厚比参数RF的确定 119

第5章 钢拱桥弹塑性地震反应分析算例 124

5.1 概述 124

5.2 上承式钢拱桥结构地震反应分析 125

5.2.1 计算模型 125

5.2.2 结构地震损伤特性 126

5.2.3 滞回本构模型对结构地震反应计算结果的影响 130

5.3 中承式钢拱桥结构地震反应分析 132

5.3.1 桥梁概况 132

5.3.2 计算模型 134

5.3.3 结构成桥状态下的自振特性 134

5.3.4 结构弹塑性地震反应计算结果对比 135

5.4 小结 140

参考文献 140

附录 考虑动轴力影响的杆系结构抗震性能验算方法 142

附5.1 薄壁矩形截面柱的极限压应变 142

附5.2 结构抗震性能验算方法 144

附5.3 钢拱桥抗震性能验算方法 144

第6章 钢桥超低周疲劳破坏寿命预测 147

6.1 概述 147

6.2 钢材低周疲劳性能试验方法及性能评价 148

6.2.1 试验方法 148

6.2.2 疲劳寿命预测模型 153

6.2.3 疲劳损伤累积计算 160

6.3 Q345钢材及焊接接头的低周疲劳性能 161

6.4 结构低周疲劳损伤评估方法 167

6.4.1 结构低周疲劳破坏的基本特征 167

6.4.2 桥墩超低周疲劳破坏验算方法 175

6.5 小结 179

参考文献 180

第7章 超低周疲劳的损伤力学计算方法基础 183

7.1 概述 183

7.2 超低周疲劳破坏的特征及材料微空穴扩张理论 183

7.2.1 低周和超低周疲劳破坏的特征 183

7.2.2 材料微空穴扩张模型 185

7.3 超低周疲劳破坏评价的CVGM模型和DSPS模型 187

7.4 GTN模型和连续损伤力学模型 190

7.4.1 GTN模型 190

7.4.2 连续损伤力学模型 192

7.5 微观损伤机制计算模型的材料参数标定 195

7.5.1 特征值长度标定 195

7.5.2 VGM模型及SMCS模型的材料参数标定 197

7.5.3 CVGM模型及DSPS模型的材料参数标定 201

7.5.4 GTN模型的材料参数标定 204

7.5.5 CDM模型的材料参数标定 205

7.6 微观损伤机制在结构延性断裂评估中的应用 207

7.6.1 微观损伤机制模型预测焊接接头及框架节点的断裂 208

7.6.2 CVGM模型对钢桥墩墩底超低周疲劳断裂的预测 212

7.7 小结 217

参考文献 218

第8章 钢桥结构抗震性能验算 222

8.1 概述 222

8.2 性能设计及钢桥的抗震性能目标 223

8.2.1 性能设计 223

8.2.2 性能目标 224

8.2.3 地震作用 224

8.3 结构地震反应计算方法和计算模型 229

8.3.1 结构地震反应计算方法 229

8.3.2 结构地震反应计算模型 233

8.4 结构抗震性能验算 235

8.4.1 结构需求 235

8.4.2 能力计算 236

8.5 提高钢桥结构抗震性能的措施 241

8.6 小结 242

参考文献 243 2100433B

本书针对钢桥弹塑性地震反应计算方法和抗震设计方法，主要介绍地震中钢桥的破坏形式、钢桥弹塑性地震反应分析的计算模型、材料本构滞回模型、钢桥墩的结构抗震性能、地震作用方式对钢桥墩抗震性能的影响、钢拱桥的弹塑性地震反应、钢材的超低周疲劳性能及钢桥抗震性能验算方法等方面的内容。

地震灾害表明，钢桥在近场地震作用下发生结构损伤不可避免，建立其塑性域地震反应算法和损伤指标是完善钢桥抗震设计规范的急需。目前，独柱式钢桥墩的设计方法趋于成熟，而复杂钢桥抗震设计方法是国内外学者的研究焦点。本项目以受动轴力和双轴弯曲变形的复杂钢桥为对象，通过试验和理论研究改进钢材的滞回模型，提出合理的结构地震反应计算方法，根据震后的使用性和修复性要求建立包括局部和整体变形的极限状态损伤指标。在此基础上，以上承式和中承式典型钢拱桥为重点，通过多尺度计算模型研究复杂桥梁塑性域的地震反应，以及近场地震、空间地震作用下的结构损伤特性和合理的结构减震体系。通过本项目研究，预期取得以下几方面的研究成果：提出适用于复杂应力状态的钢材非线性滞回模型和基于震后性能要求的地震损伤指标；得到结构地震破坏区有效长度经验公式；确立高精度地震反应计算模型和离散要求；探索复杂钢桥的抗震构造和合理的减震方法。

尽管钢桥的地震破坏程度比混凝土桥梁轻微，但地震灾害表明，钢结构在强震荷载作用下有可能发生钢板局部失稳、超低周疲劳开裂等形式的地震损伤，建立考虑结构损伤的钢桥抗震设计方法十分必要。迄今为止，我国对这类结构的地震损伤机理以及抗震设计方法缺乏研究，在实际工程中多采用较为保守的弹性设计方法，而这种设计方法一方面不经济，另一方面由于对钢桥地震破坏机理缺乏认识，当桥梁遭受到超过预期强度的地震作用时容易发生致命性的倒塌破坏。 本项目以建立考虑结构损伤的钢桥抗震设计方法为研究目的，根据立项的研究计划，对钢桥在强地震作用下的结构损伤特征、计算方法以及计算模型、滞回本构模型、超低周疲劳损伤特性等方面进行理论和实验研究，通过四年的研究主要取得了以下几方面的成果： 1）系统研究了考虑结构参数和多方向地震作用的钢桥墩地震破坏区域长度及其基本特征，为合理的有限元计算模型提供了建模依据； 2）以钢拱桥为对象，研究了复杂地震荷载下的结构损伤特性； 3）对双曲面滞回本构模型进行了再修正，并以ABAQUS为平台实现了用双曲面模型的钢桥结构动力地震反应计算； 4）标定了我国钢桥中最常用的钢材Q345qC双曲面模型材料参数； 5）利用双曲面模型的修正经验，对钢筋MP模型中长期存在的不合理小幅循环履历问题提出了修正方法，根本上解决了小幅循环下的不合理履历问题；进一步利用MP模型提出了钢结构阻尼元件在双向地震作用下的简化计算模型； 6）对钢材的母材、焊接接头、锈蚀钢材的超低周疲劳性能进行了试验研究和分析； 7）研究了高强度钢材的疲劳性能，提出了疲劳裂纹扩展参数； 8）通过对研究成果的整理和提炼，最终编著了《钢桥抗震设计》一书。 整个研究工作发表18篇学术期刊论文，其中SCI收录5篇，EI收录13篇。会议论文7篇（其中4篇为国际会议论文）。参加国际、国内学术会议14人次。申请专利一项。培养已毕业的博士研究生3人，硕士研究生4人。 本项目研究基本上奠定了建立钢桥抗震设计方法的基础，在下一步研究中以此为基础通过开发考虑钢板局部变形影响的简化计算模型，提出以性能为目标的验算方法，建立钢桥抗震设计体系。 2100433B

《钢桥疲劳与维护》系统介绍了钢桥疲劳基本理论和维护技术，是作者吉伯海、傅中秋近十年来关于钢桥疲劳与维护研究的阶段成果。其中，理论研究方面包括疲劳开裂特征、基于随机实测车流的钢桥振动响应、焊接疲劳性能和构造对疲劳性能的影响；技术研究方面包括疲劳的评定技术、检测技术、钻孔止裂技术、冲击闭合技术、开裂技术，并对疲劳预防性维护进行了探讨。

《钢桥疲劳与维护》内容全面，考虑实桥养护工作需求，可供从事钢桥维护及管理的技术人员和科研人员参考，亦可作为桥梁工程专业研究生教材使用。