摘 要

伴随现代经济的高速发展，我国的公路建设和交通事业也得到迅猛发展，山区道路的修建项目越来越多，为跨越山区复杂多变的地形，大跨径高墩经常被采用。而空心矩形截面桥墩由于截面面积小，自重小，结构刚度和强度较好的特点，被广泛用于高墩中。研究空心矩形截面桥墩的承载力，对大跨径高墩的截面设计具有重要的意义。

空心矩形截面桥墩是墩身为空腔体的桥墩，是实心墩向轻型化变化的一种桥墩形式。本文在大量阅读国内外资料的基础上，研究了空心矩形截面桥墩在单轴压弯作用下中和轴位置不同的条件下，承载力的计算公式和曲率计算公式。然后以一具体工程实际桥墩为例采用OpenSees软件建立空心矩形截面桥墩模型，对单轴压弯和双轴压弯作用下的弯矩与轴力关系和弯矩曲率的关系进行了研究，得出了其轴力-弯矩曲线，并对单轴压弯作用下的桥墩承载力的可能的影响因素进行了分析。

研究表明，在单轴压弯作用下，空心矩形截面桥墩的弯矩在大偏心阶段随着轴力的增大而增大，在小偏心阶段随着轴力的增大而减小；提高桥墩的纵向钢筋配筋率可以整体提高桥墩的承载力，提高混凝土强度等级可以提高桥墩的正截面抗压承载力，对于桥墩而言，不考虑箍筋约束得到的承载力趋于保守；在双轴压弯作用下，空心矩形截面桥墩的弯矩轴力关系为一个空间三维屈服曲面，此曲面表明，进行桥墩设计时需要考虑双轴压弯作用下的弯矩耦合效应。

关键词：桥墩；空心矩形截面；单轴压弯；双轴压弯；承载力

Abstract

Along with the rapid development of the modern economy, China's highway construction and transportation industry has also developed rapidly. More and more construction projects in mountainous roads have appeared. For the reconstruction of varied terrains across mountainous areas, large-span high piers are often used. The hollow rectangular section piers are widely used in high piers due to their small cross-sectional area, small self-weight, and good structural rigidity and strength. So,studying the bearing capacity of hollow rectangular section piers is of great significance for the section design of long span high piers.

The hollow rectangular section bridge pier is a pier with a pier body as a hollow body, which is a structural form of solid pier to lighter development. Based on extensive literature review at home and abroad, this paper has deduced the calculation formula of bearing capacity and curvature of hollow rectangular section piers under different uniaxial bending conditions. Next, OpenSees software is used to establish a hollow rectangular section pier model based on using a specific engineering actual pier as an example to study the relationship between bending moment and axial force and bending moment curvature under uniaxial bending and biaxial bending to get the axial force-moment curve, and then the possible influencing factors of the bearing capacity of the pier under uniaxial bending are analyzed.

The research shows that under the action of uniaxial bending, the bending moment of hollow rectangular section piers increases with the increase of axial force in the large eccentric phase, while decreases with the increase of axial force in the small eccentric phase. The longitudinal steel bar reinforcement ratio can overall improve the bearing capacity of the pier, and increasing the concrete strength grade can improve the normal section compressive bearing capacity of the pier. For the pier, the bearing capacity obtained without considering the stirrup constraint tends to be conservative; Under the action of axial compression, the bending moment force relationship of the hollow rectangular section pier is a spatial three-dimensional yield surface. This surface shows that the coupling effect of the bending moment under the biaxial bending action needs to be considered when designing the pier.

Key Words：pier; hollow rectangle section; uniaxial bending; biaxial bending; the bearing capacity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 空心矩形截面承载力的理论分析 5

2.1 弯矩与轴力的关系 5

2.1.1 基本假定 5

2.1.2 理论公式推导 5

2.2 单轴压弯作用下的桥墩变形分析 7

2.3 本章小结 9

第3章 RC矩形空心截面试件有限元分析 10

3.1 OpenSees简介 10

3.2 桥墩试件的有限元分析 10

3.2.1 试件设计资料 10

3.2.2 试件的有限元模拟 11

3.2.3 试件的有限元分析 12

3.3 试验数据对比分析 13

3.4 本章小结 14

第4章 单轴压弯下的桥墩工程实例分析 15

4.1 桥墩设计资料 15

4.2 空心矩形截面桥墩的有限元分析 15

4.3 结果分析 19

4.3.1 求解竖向最大轴压力 19

4.3.2 单轴压弯下的P-M曲线 20

4.4 P-M曲线影响因素分析 23

4.4.1 纵向钢筋配筋率 23

4.4.2 混凝土强度等级 25

4.4.3 箍筋的约束作用 27

4.5 本章小结 34

第5章 双轴压弯下的桥墩承载力研究 35

5.1 理论关系推导 35

5.1.1 P、M_x和M_y相互关系推导 35

5.1.2 双轴压弯作用下弯矩与截面变形之间的关系 37

5.2 基于OpenSees的双轴压弯作用下桥墩承载力实例分析 37

5.2.1 轴力P与弯矩M_x之间的关系 37

5.2.2 不同轴压力下的M_y-M_x关系 39

5.2.3 P-M_x-M_y的三维屈服曲面 42

5.3 双轴压弯下的弯矩-曲率关系 44

5.3.1 模型建立 44

5.3.2 结果分析 45

5.3.3 不同夹角下的弯矩-曲率图 46

5.4 本章小结 47

第6章 结论与展望 48

6.1 结论 48

6.2 展望以及需要改进之处 48

参考文献 50

致 谢 51

绪论

研究目的

近年来，在我国经济大发展的背景下，山区道路的建设项目也逐渐增多，因为山区地貌多变，地形较为复杂，采用一般的矮墩无法满足要求，这时采用大跨径高墩的方案往往可以达到目的。对于高墩而言，截面承载力的研究的确是一个很重要的方面，截面承载力的大小可以直接影响桥墩的设计。一般而言，连续刚构桥的桥墩和主梁部分常常固结在一起，桥墩作为下部结构，直接参与上部结构的受力，因此，桥墩的截面承载力研究工作就显得更为重要。

与常见的实心截面桥墩相比，采用空心截面的桥墩一般具有截面模量很大、截面面积相对较小的优点，而且在经济上可以节省材料，结构上刚度和强度都很好，因此，空心截面的桥墩在桥梁建设中被广泛应用。当梁式桥的墩高超过60m时，桥墩的截面形式一般采用空心的方案。所以，空心截面的承载力研究对于桥梁设计和建设而言具有深远的意义。在空心截面桥墩中，使用钢筋混凝土材料的矩形空心截面桥墩则是一种最普遍且简单的形式，这种桥墩和其他空心截面桥墩相比，强度和刚度很高，质量较小，截面形式也足够简单，便于施工，可以充分发挥桥墩的承载效益，经济有效，因而钢筋混凝土的矩形空心截面桥墩被广泛应用在我国山区和西部等地形复杂地区的高墩桥梁建设中。

地震作用下，矩形空心截面桥墩受弯矩、轴力和剪力的复杂作用，截面受到不同程度的损伤，其截面安全性需要评估，桥墩承载力需要进一步研究，可以为桥梁进一步采用合理有效抗震加固措施提供基础。

国内外研究现状

近些年来，国外学者对于这个课题做了相关的研究：