预制装配技术提升既有桥梁水下墩柱抗震性能研究

发布时间：2020-05-25 03:05

【摘要】：桥梁水下墩柱构件常因设计不合理、服役环境恶劣以及自然灾害和人为等因素而受损。水下墩柱一旦受损,将同时面临力学性能快速下降和耐久性能加速退化等多重问题。预制混凝土管片加固法作为一种新兴的预制装配式加固技术,有望应用于复杂水下环境下采用传统围堰法加固成本过高(或无法适用)的桥梁水下墩柱加固工程,以实现低成本、高效率的水下墩柱加固,并大幅度(甚至超设计)提升桥梁水下墩柱的轴压性能、抗震性能,以及耐久性能。本文创新研发了包括预制混凝土管片、FRP网格筋、FRP螺旋箍筋等新型水下加固材料,提出了新型预制混凝土管片加固桥梁水下墩柱设计实施方法;基于理论分析,总结并提出了采用预制混凝土管片加固柱截面弯矩-曲率关系基本特征,并基于“最远点法”以及能量守恒概念,提出了适用于FRP筋与钢筋混杂配筋加固截面的新型弯矩-曲率“双折线型”简化计算模型;阐明了采用预制混凝土管片加固提升水下混凝土圆柱轴压性能与推覆性能的效果和“多重侧向约束+纵向FRP筋”对水下墩柱抗震性能提升的作用机理,发现了采用半刚性侧向约束(即预制混凝土管片+预应力高强钢丝绳)可有效限制混凝土开裂变形,提高纵向FRP筋对墩柱抗震性能的贡献。全文首先从既有桥梁水下墩柱的加固需求出发,探讨了采用预制混凝土管片加固的设计目标与主要实现思路,对预制混凝土管片加固法进行了初步设计,提出并突破了设计过程中遇到的多项技术难题,包括:预制混凝土管片的研发、水下不分散混凝土的研制、加固筋材的选取与制备、多重界面性能的保证、FRP筋水下植筋锚固、管片损伤控制和环向预应力设计等,通过试验总结提炼了两类性能提升加固的具体实施方法。然后,从理论分析和数值分析两个角度对预制混凝土管片加固圆柱截面的弯矩-曲率关系进行了截面层次的分析,总结了主要分析参数(包括等效配筋率比、截面增大率、FRP筋弹模、轴压比以及混凝土抗压强度)对加固截面弯矩-曲率关系的影响,提出了适用于混杂筋材加固截面的新型弯矩-曲率“双折线”简化计算模型,拟合了计算模型中峰值点与计算屈服点的曲率与弯矩公式,并与理论分析结果进行了对比验证。其次,对预制混凝土管片加固水下混凝土圆柱的轴压性能与推覆性能进行了试验研究。轴压性能试验通过对9个采用预制混凝土管片或未加固试件的轴压试验,验证了采用预制混凝土管片加固对混凝土圆柱的轴压峰值荷载和峰值应变的显著提升作用,并提出了影响加固柱轴压性能的关键参数;推覆性能试验通过对6个1/4比例尺的混凝土圆柱采用不同类型或不同配筋率的FRP筋+预制混凝土管片的加固处理(包含1个对比柱),从刚度、强度、承载力、延性、耗能、残余位移以及曲率分布多个角度研究了预制混凝土管片对混凝土圆柱推覆性能的综合提升作用与机理,并提出了部分加固柱推覆性能提升设计建议。再次,建立了与试验结果吻合较好的高精度数值分析模型,进行了加固柱推覆性能多参数数值分析,研究了主要设计(分析)参数变化对加固柱推覆性能以及加固柱粘结滑移变形组成的影响,并采用弯曲-曲率简化计算模型的构建思路提出了加固柱荷载-位移比简化计算模型,并对计算模型中关键参数进行了分析与拟合。最后,结合本文提出的预制混凝土管片加固混凝土圆柱相关理论与试验、数值分析结论,建立了预制混凝土管片加固混凝土圆柱的弯矩-曲率恢复力模型和荷载-位移恢复力模型;在总结现有桥梁墩柱基于性能的损伤评价方法基础上,提出了预制混凝土管片加固混凝土圆柱的基于性能的损伤分类方法与损伤指标计算公式,并结合对加固柱进行的多地震波作用下的动态时程分析,初步构建了加固柱的易损性曲线,并对加固柱的易损性进行了简要评价。
【图文】：

水下结构,突发灾害,九江大桥,桥梁

足见冲刷问题的严重程度。（a）（b）图1.1 桥梁水下结构病害与突发灾害案例：（a）江西某桥桥墩与桩基严重腐蚀；（b）广东九江大桥船舶撞击事故我国拥有数量庞大的桥梁系统，，特别是在东部沿海以及西部山区等高差较大的地区。与此同时，很多桥梁也都存在局部损伤（包括截面缩径、纵筋屈曲等）以及冲刷隐患，依国外经验推断，我国因水下结构损伤而造成的桥梁安全事故数量可能会在今后很短的时期内大比

过程图,修理方法,过程

到其基础部分，极限强度，初始刚度和位移延性的恢复水平均可提高至少 20％。（a）（b）（c）（d）图1.2PSJ 修理方法与过程[10]：（a）恢复到原来的柱横截面；（b）金属薄板包装和连接；（c）缠绕预应力筋；（d）张拉预应力（4）外包FRP 加固法FRP 被认为是唯一可能替代钢结构的结构增强材料，采用 FRP 加固钢筋混凝土结构的种类繁多，以下只介绍具有代表性的几类方法及其研究现状。Saadatmanesh 等人[11]对用预制玻璃纤维增强塑料（GFRP）包裹修复地震损坏的钢筋混凝土柱的弯曲性能进行了试验研究，结果表明，预制玻璃纤维增强塑料（GFRP）包裹修复技术有效可靠，修复柱的弯曲强度和位移延性都高于原始柱，但是初始刚度低于原始柱。Chang 等人[12]提出了一个关于近断层地面运动下建造和修复的钢筋混凝土桥梁柱地震响应的研究。采用2/5 尺度桥塔进行拟动态测试。首先对不具有特定结构缺陷的柱进行塑性铰链区的弯曲破坏试验。然后拆除损坏的混凝土盖，并用无收缩砂浆更换后，将 CFRP 板横向包裹在柱上。试验结果表明，两个损坏的桥梁柱的抗震性能可以在碳纤维增强塑料复合板修复后恢复。柱的强度和延展性成功恢复。然而
【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】：U443.2;U442.55

【参考文献】