双轴受力状态下的桥墩抗震安全性能研究

发布时间：2020-09-25 18:48

　　目前主流桥梁抗震计算中,多数采用横桥向与纵桥向结构计算,但对于桥墩在实际地震作用下处于三向受力状态,传统计算方法忽略了耦合作用,且建筑工业化已成为发展主流,灌浆套筒广泛应用于节段预制拼装桥墩,对于预制桥墩的双轴受力抗震能力研究尚未完善。为明确双轴受力与单轴受力区别,以及拼装墩柱在抗震能力上的主要影响因素,以某地铁线墩柱为原型,建立OpenSees六弹簧桩基桥墩模型,运用静力和动力两种计算方法,从能力-需求角度出发,对比现浇桥墩、灌浆套筒桥墩和带预应力灌浆套筒桥墩三种类型墩柱,参数化研究其抗震安全性能并提出合理的设计建议公式,本文主要进行了以下几部分的工作:(1)基于现浇墩柱的双轴循环加载分析,对弹塑性现浇墩柱模型分别进行双轴和单轴循环加载,从滞回曲线、骨架曲线、等效刚度、等效阻尼比等参数上,分析双轴与单轴受力状态的联系与区别,并总结出结构单轴和双轴受力下恢复力修正模型。循环加载分析结果显示,墩柱在双向耦合作用下,承载能力有明显下降,在顺桥向(弱轴)和横桥向(强轴),双轴相比单轴的峰值荷载分别下降19.6%和16.7%,即双向非等同配筋的墩柱,在两个方向上的滞回特性具有明显差异。(2)基于现浇墩柱的双向Pushover分析,对弹塑性现浇墩柱模型分别进行单向和双向的Pushover加载,采用倒三角和均匀荷载两种模式,得到墩柱的位移荷载曲线,参考ATC40计算现浇墩柱能力需求谱,进而得到目标位移,对比桥墩动力响应,验证实际墩柱在双轴受力下能否满足抗震要求。推覆分析结果显示,当侧向荷载为均匀荷载模式时,墩柱双轴受力与单轴受力相比,弱轴和强轴方向峰值荷载分别下降14.4%和48.3%;当侧向荷载为倒三角荷载模式时,弱轴和强轴方向峰值荷载分别下降13.4%和48.5%。对比时程分析结果,墩柱若采用目标位移为极限位移,墩柱不能满足完全弹性要求,墩柱实际有塑性发展,以弹塑性理论评价则满足抗震要求。(3)通过一般性的带倒角截面,推到墩柱承载能力公式,分析忽略倒角的简化对于计算结果影响程度。以一般性截面为基础,模拟现浇墩柱、带预应力筋灌浆套筒墩柱、以及带预应力灌浆不密实墩柱三种类型截面,通过参数分析,研究纵筋材料、轴压比、纵筋配筋率、预应力筋配筋率等因素对于墩柱承载能力影响。拟合无量纲公式,将公式拓展应用到工程实际,并与三向地震动响应结果对比,验证拟合公式的抗震设计可靠性。由理论公式得,当倒角边长不大于0.075倍的截面高度时,倒角矩形简化为矩形截面计算时,可靠度才能超过95%。通过基于截面的参数分析发现,墩柱纵筋配筋率不改变屈服球的总体形态,饱满区域轴压比值固定在45%-55%范围不变,但纵筋的配筋率提升时,极限承载能力和极限抗弯能力随之提升;预应力筋对正常纵筋配筋的墩柱抗弯能力影响较小,预应力筋配筋率在0.14%~0.27%范围且纵筋率在1%左右时效果最好;经过校核,拟合的设计建议公式,使用范围为内部矩形约束可等效矩形的截面。(4)对于预制拼装墩柱,以双轴受力分析为主要手段,将截面计算、循环加载计算和时程响应计算三种结果对比,对现有规范提出灌浆套筒拼装墩柱设计修正公式;分析预应力应用于灌浆套筒拼装墩柱中对震能力影响,同时拟合出预应力配筋最佳使用设计建议公式。循环加载下,带预应力的预制拼装墩柱弱轴和强轴两方向上,相比单轴现浇墩柱峰值荷载分别低6.8%和5.3%,相比双轴现浇墩柱峰值荷载分别高15.9%和13.6%;时程分析下,无预应力的拼接墩柱在弱轴和强轴方向相较现浇计算结果分别平均偏大8%和6%,有预应力的拼接墩柱在弱轴和强轴方向相较现浇计算结果分别平均减少12.6%和4.3%;灌浆套筒的拼装墩柱比现浇墩柱在能力上有所降低,预应力筋配合灌浆套筒可以达到等效或优于现浇墩柱的效果。提出拼装墩塑性铰高度应上移一个套筒高度计算能力位移,等效为现浇墩柱计算出的需求位移应乘以1.1的修正系数,实际设计出的墩柱顺桥向和横桥向安全系数分别为1.3和1.2。
【学位单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U442.55
【部分图文】：

模型图,混凝土应力,模型

图 1.1 混凝土应力-应变模型Fig. 1.1 Stress-strain model of concrete图 1.2 屈服曲面Fig. 1.2 Failure surface单轴受力分析主要依据轴力-弯矩(P-M)曲线图，这种计算方式忽略了双轴受力时的耦合作用，双轴受力分析则充分考虑材料塑性需求与能力。目前，分析柱构件双向压弯的非线性全过程分析模型通常可分为三大类: 纤维模型、多弹簧模型和屈服面模型[16]。对于非对称或非常规型的截面形式，多数采用屈服面模型[17]，绘制包含截面所有轴向的P-M 曲线，并从屈服球中任意截面得出对应承载能力数值，如图 1.2 所示。双轴受力作用下，国内外研究人员对 L 型截面[18]、方形截面[19]、圆形截面[20]、矩形空心截面[21]等进行分析，得出不同屈服球形状公式中指数系数，以及系数建议使用范围。M.Y.Rafiq[22]等人提出一种创新的设计方法，强调了进化计算在设计中的交互使用，以及一种新的搜索和解空间可视化方法，使设计者能够在局部峰值附近查看个别的解决方案，以便了解更多有关设计参数之间的相互关系。Han Qiang[23]等人对不同轴压比、纵向配筋率和侧向配筋率进行了参数研究。试验结果表明，试件弯曲破坏模式及极限性能是由弯曲能力为主，破裂/屈曲拉伸纵向钢筋在桥柱底部为代表。双向受力和位移磁滞回线呈显著刚度和强度劣化，挤压效应和耦合效

屈服曲面

滞回曲线,构造方式,滞回曲线

(a)现浇整体(梭形) (b)预制摇摆(S 形) (c)耗能预制摇摆(旗帜形)图 1.3 不同构造方式的滞回曲线特征Fig. 1.3 Hysteretic curves of different structural modes内外已有的试验研究成果表明[26,27,28,29,30,31]，只要合理设计，预制拼装桥帜型的滞回曲线，是一种抗震性能较优的桥墩形式，且如果利用新材料新设计理念，其可以获得比现浇桥墩更优异的抗震性能[28,31]。拼装桥墩受局部压应变的底部接缝。已有的延缓局部受压破坏的方式主要有塑性加密、钢套筒、纤维混凝土、纤维加劲的水泥复合材料、墩与承台之间等方式。试验证明，较好的方式是采用钢套筒约束方案[29,31,32]。地震作墩耗能能力弱，可以设置阻尼橡胶板[33]或外部阻尼器[31,34]，或者无粘结耗06 年，新西兰的 Palermo 和 Pampanin 等对预制拼装桥梁进行系统研究预应力筋的设计取值给出了指导意见[34]。已有的试件主要是大剪跨比受要承受弯矩，但是在小剪跨比情况下，剪切发生的破坏条件、破坏模式系统研究[35,36]。mashita R. and Sanders D.H 对无粘结预制拼装空心墩开展了振动台研究进行了参数分析[37]。葛继平等人对单轴式拼装桥墩开展了拟静力和振动

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