自复位预制拼装UHPC空心墩抗震性能及设计方法研究

发布时间：2020-05-12 09:24

【摘要】：预应力预制拼装桥墩具有快速施工优势,可以为新材料、新技术的引入与推广提供实践平台,但因抗震性能不明确及抗震设计方法不完善、针对自复位特性的研究不足、耗能能力需要专门设计、预应力损失对脚趾压碎敏感等原因,制约了其在中高烈度区桥梁中的应用。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)具有高强度、高延性、高耐久性的材料特点,用于土木工程,可以实现结构在严酷条件下的高可靠性、多灾变作用下的高工恢复性能、长期使用的高耐久性、全寿命周期内的高环保性,用于制作预制拼装桥墩,一方面,可以直接利用材料本身优异的力学特性降低桥墩脚趾处在地震中的损伤以及提高耗能能力;另一方面,可以将韧性抗震理念融入预制拼装桥墩中进行结构形式创新,通过合理的构造措施实现震后桥墩功能的快速恢复。因此,本文以预制拼装UHPC空心墩作为研究对象,通过试验、有限元和理论研究等手段研究其抗震性能特别是自复位能力;基于试验、有限元及理论研究结果,建立设计参数与抗震性能目标之间的关系,并基于预期性能目标,在设计过程中确定出合理的设计参数取值,实现性能化抗震设计。具体研究内容和成果如下:(1)自复位预制拼装UHPC空心桥墩大比例尺拟静力试验研究利用UHPC制作预制拼装空心墩,节段之间采用无粘结后张预应力筋拼装成整体,利用底接缝设置有无粘结段的耗能钢筋增加耗能能力,研究参数包括后张预应力大小及耗能钢筋用量。提出一种新型的震损可恢复功能预制UHPC空心墩结构形式,通过试验检验可更换UHPC板与桥墩底节段之间的连接以及可更换耗能钢棒与螺纹接头之间的连接是否能实现预期功能,研究参数包括后张预应力大小及可更换耗能钢棒用量;通过对修复后桥墩的重新加载,研究修复后桥墩的抗震性能。(2)基于等效塑性铰模型的预制拼装UHPC空心墩抗震变形能力研究通过理论推导建立耗能钢筋和后张预应力筋的等效材料本构关系,建立满足平截面假定的纤维截面模型进行截面分析,然后基于等效塑性铰模型,计算出预制拼装UHPC空心墩的水平力-位移曲线,并与试验结果进行比较。利用建议模型进行参数分析,研究设计参数对预制拼装UHPC空心墩抗震变形能力的影响。基于参数分析结果,通过回归分析得到了关于有效刚度的简化计算公式。(3)基于纤维单元的预制拼装UHPC空心墩耗能与自复位能力研究基于OpenSees计算平台,利用耗能钢筋和无粘结后张预应力筋等效应力-应变关系,建立满足平截面假定的等效纤维截面用于模拟底接缝,利用等效塑性铰长度考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移,并在有效刚度的计算中计入剪切变形的影响。利用拟静力试验结果对有限元模型进行验证。基于有限元模型,研究设计参数对预制拼装UHPC空心墩耗能与自复位能力的影响。(4)预制拼装UHPC空心墩自复位能力设计准则首先通过机理分析,确定出残余位移与水平位移最大值和自复位系数两个影响因素的定性关系,然后基于拟静力结果,得到残余位移角关于自复位系数和水平位移角最大值的定量计算公式,并利用非线性动力时程分析结果,验证了残余位移角定量计算公式在控制地震动激励下残余位移角的有效性,最后利用残余位移角的定量计算公式,得到了预制拼装UHPC空心墩在不同抗震设防水准下自复位系数的限值,用于指导自复位能力设计。(5)基于理想旗帜型模型的预制拼装UHPC空心墩滞回性能研究通过理论分析和参数讨论,建立了理想旗帜型模型关键参数与水平力-位移骨架曲线中屈服点和峰值点之间的联系,通过建立关于屈服点和峰值点的解析计算方法,得到理想旗帜型模型关键参数。利用拟静力试验结果,对关键参数的解析方法进行试验验证。分别基于有限元模型和由解析方法确定出关键参数的理想旗帜型模型进行动力时程分析,比较得到的水平位移最大值和累积耗散能量最大值两个指标,评价由解析方法确定出关键参数的理想旗帜型模型在对预制拼装UHPC空心墩进行动力时程分析时的适用性。(6)基于性能的预制拼装UHPC空心墩后张预应力可行域研究首先介绍基于“残余位移可控”、“接缝抗剪需求”和“大震不倒”三个方面的性能需求确定出后张预应力上下限取值的基本思路,然后基于极限状态解析计算结果,建立后张预应力上下限的解析计算方法,确定出后张预应力的可行域。基于后张预应力上下限的解析计算方法,研究设计参数对后张预应力可行域的影响。通过讨论极限状态对应的底接缝处截面受压区高度的取值对后张预应力可行域的影响,给出了后张预应力可行域的无迭代简化计算方法。(7)考虑变形与自复位能力的预制拼装UHPC空心墩地震易损性研究从实际工程中选择出现浇钢筋混凝土桥墩,通过5个等效原则设计出预制拼装UHPC空心墩。根据既有研究建议方法,分别确定出基于位移延性系数和残余位移角的损伤状态量化标准。据此量化标准处理现浇钢筋混凝土桥墩和预制拼装UHPC空心墩在远场、近场无脉冲和近场脉冲三种不同类型地震动下的增量动力分析结果,建立不同类型地震动下两种结构形式桥墩的概率地震需求模型,得到相应的易损性曲线,完成对现浇钢筋混凝土桥墩和预制拼装UHPC空心墩抗震性能的评估。
【图文】：

典型工程,桥墩,现浇,套筒

（a）美国弗罗里达州 Edison 公路桥（1992 年）[1-12]（b）美国爱荷华州 Keg Greek 高速公路桥（2011 年）[1-13]（c）上海市嘉闵高架桥北段二期（2015 年）图 1-3 采用套筒灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的典型工程应用波纹管灌浆连接技术多用于预制盖梁与预制桥墩之间的连接，在预制桥墩节段之间的连接也有所使用，具有施工速度快、现场湿作业量相对较少、施工精度要求不高、连接性能可靠等优点，一般不直接用于钢筋连接，而是将一根预制桥墩的伸出纵筋锚固在盖梁或承台内。由于波纹管能够提供约束效果，采用波纹管灌浆连接技术的钢筋所需锚固长度要小于同等条件下的现浇构件，但这仍是控制连接节段尺寸的主要因素，同时预埋波纹管的存在也加剧了节点处钢筋的拥堵。如图 1-4 给出了采用波纹管灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的工程应用。目前关于波纹管灌浆连接性能的试验研究较多[1-14] [1-15] [1-16] [1-17] [1-18] [1-19]，研究使用这一连接方式预制桥墩抗震性能的研究还相对较少：美国工程师 Pang 等[1-20]以美国华盛顿州预制桥墩为背景，开展了包括四个预制盖梁-桥墩连接节点的拟静力试验，重点研究采用大直径钢筋-波纹管灌浆连接技术对预制盖梁-桥墩连接节点抗震性能的影响。加利福尼亚州立大学 Matsumoto[1-21]开展了 42%缩尺试验模型，钢筋采用波纹管灌浆连接，并设置 2.5 英寸厚且配有箍筋的灌浆垫层，试验结果证明该预制盖梁-桥墩连接节点与同参数的现浇试件相比具有相似的抗震性能。如图 1-5 所示，新西兰坎特伯雷大学 Mashal 等[1-22]将波纹管灌浆连接用

滞回曲线,桥墩,典型工程,波纹管

相比具有相似的抗震性能。如图 1-5 所示，新西兰坎特伯雷大学 Mashal 等[1-22]将波纹管灌浆连接用于预制桥墩与承台以及预制桥墩节段之间的连接，在预制构件连接界面中心处设置剪力键，这一连接形式的矩形截面桥墩进行了拟静力试验。北京工业大学宋年华[1-23]开展了预制盖梁-桥墩连接节点拟静力试验，证实基于高强砂浆-金属波纹管灌浆连接的预制承台-桥墩连接的抗震能力与现浇结构一致，波纹管灌浆连接安全可靠；同济大学王志强等[1-24]将波纹管灌浆连接用于预制桥墩-承台的连接，开展的拟静力试验证实该试件的位移延性系数可以达到 6.0 左右，耗能能力与现浇试件相似，同时对桥墩-承台采用套筒灌浆连接、桥墩-盖梁采用波纹管灌浆连接的双柱进行了拟静力试验研究，得到了与现浇桥墩相似的滞回曲线[1-11]。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U442.55

【参考文献】