混合配筋预制节段拼装桥墩抗震性能与设计方法

发布时间：2020-06-03 12:00

【摘要】：现代桥梁结构应兼具高效的建造速度、可靠的抗震性能及良好的震后可修复性,而传统钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩的现浇建造方式造成了桥梁建设工期冗长和桥位周边环境劣化,且该类桥墩易产生过大的震后残余位移而严重影响桥梁结构的震后可修复性和使用性。与现浇RC桥墩不同,预制节段拼装桥墩(Precast Segmental Bridge Column,PSBC)在建造时是将模块化预制的节段依次拼装并通过预应力筋连接成为整体,故而具有突出的建造效率优势和环保优势。然而,目前已提出的各类形式的PSBC大多无法做到抗震性能及震后可修复性的兼顾,且PSBC抗震设计方法的缺乏严重制约了此类可实现高效建造的桥墩在抗震区的应用。针对上述现浇及节段拼装桥墩存在的问题,本文提出了混合配筋节段拼装桥墩(Hybrid Reinforced PSBC,HR-PSBC)的概念,旨在实现桥墩体系建造效率、抗震性能及震后功能性的同步提高。HR-PSBC同时采用耗能钢筋与自复位筋作为纵向受力筋,其中,以普通热轧钢筋作为耗能筋、利用其弹塑性特性提高PSBC的耗能能力,而以纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋或精轧螺纹钢筋作为自复位筋、利用其高弹性极限强度的特性提高PSBC的屈服后强度,以同时减小桥墩震时位移需求及震后残余位移。本文基于截面层面理论分析、构件层面试验及有限元分析,验证了上述混合配筋思路的有效性,揭示了主要设计参数对HR-PSBC抗震性能与自复位能力的影响规律,并提出了HR-PSBC详细的两阶段抗震设计方法。本文的主要研究内容、方法和结论如下:(1)以混合配筋墩柱截面力学性能为研究切入点,分析了主要设计参数对混合配筋截面破坏模式和弯矩-曲率行为的影响规律,初步验证了混合配筋对提高桥墩屈服后刚度的有效性;在此基础上,以确保混合配筋截面具有较高屈服后刚度及合理破坏模式为目标,提出了HR-PSBC中自复位筋的三种潜在可行的配置方案并进行对比分析,为后续试验研究提供了理论指导;(2)基于前述截面层面理论研究,设计并制作了8个截面尺寸0.6m×0.4m、总高度4.2m的大比例PSBC试件并进行拟静力试验研究,考察了自复位筋与耗能钢筋的混配比例、自复位筋的强度与弹模以及桥墩轴压比等主要设计参数对HR-PSBC抗震性能的影响规律;拟静力试验结果表明,混合配筋方法可在保持滞回耗能能力基本不变或有所增加的前提下有效提高墩柱屈服后刚度及自复位能力,同时桥墩的承载力和延性亦有较明显增加;(3)基于Open Sees平台建立了HR-PSBC精细化纤维单元模型,实现了对FRP筋断裂、纵筋应变渗透所致粘结滑移、节段间相对转动等复杂力学行为的准确模拟,并通过与本文及前人开展的共计14个PSBC试件试验结果进行对比,验证了该建模方法的精确性,弥补了当前研究中缺乏PSBC抗震性能高效数值分析方法的不足;在此基础上,开展了HR-PSBC单调推覆性能、滞回行为和地震激励下动力响应有限元分析,揭示了主要设计参数对HR-PSBC自身力学性能及震时最大位移与震后残余位移需求的定性及定量影响规律,提出了HR-PSBC抗震设计所需的骨架曲线模型和残余位移预测方法;(4)以上述HR-PSBC抗震性能的系统研究为基础,结合我国与日本现行桥梁结构抗震设计规范,确立了HR-PSBC两水准设防目标及确保HR-PSBC抗震性能、震后功能性和可修复性的设计方法,给出了HR-PSBC详细的两阶段抗震设计流程,并提供了抗震措施建议及施工阶段的装配流程建议;同时,所提出的设计方法与现行桥梁抗震设计规范结合紧密,有利于推动HR-PSBC在中高地震烈度区桥梁工程中的应用进程。
【图文】：

预制节段拼装,桥墩,实际应用

“一带一路”国家级战略的顺利实施要求加速建设沿线国家的交通基础设施[1,2]，国内中长期高速公路和高速铁路网络的建设任务也十分紧迫[3,4]，同时，各大中城市为解决空间问题也亟需建设立体交通系统[5]，这些迫切任务的顺利完成均要求作为交通枢纽的桥梁结构能够实现高效率、生态化的建造。然而，桥梁下部桥墩体系的现浇施工方式往往导致整个桥梁建设工期冗长[6]以及桥位附近生态及生活环境劣化[7]。预制节段拼装桥墩（Precast Segmental Bridge Column, PSBC）为解决上述问题提供了有效思路。如图 1-1 a)所示，PSBC 是将钢筋混凝土墩身沿纵向划分为若干节段进行模块化预制，在建造时将诸预制节段进行机械化拼装后通过后张预应力筋、混凝土后浇带及孔道灌浆等连接方式拼装成整体。由于显著减少了现场施工时支模、浇筑及养护作业，PSBC 的建造周期短且受季节和天气影响小，减少了对桥址附近既有交通系统的干扰，降低了对生态环境及居民生活环境的不良影响[8]。鉴于 PSBC 的上述优点，该类桥墩在美国[9]及我国台湾地区[10]的实际桥梁工程中已有不少应用。图 1-1 b)所示为 PSBC在美国的应用实例分布；图 1-1 c)所示为 2010 年建成的美国 Hoover Dam 大桥，该桥中应用了高达 92m 的预制节段拼装桥墩[11]。

工程,震后,可修复性,位移过大

研究者提出了如图1-2 b)所示的在 PSBC 中配置贯穿各预制节段的有粘结普通热轧低碳钢筋的方法来增加其耗能能力，并称此类纵筋为“耗能钢筋”。从图 1-2 c)可以看出，配置耗能钢筋后 PSBC 的滞回耗能能力和水平承载力均得到显著提升。然而，耗能钢筋的存在也易使得 PSBC 震后残余位移过大，影响桥梁结构的震后使用性及可修复性。a) 无耗能筋 PSBC b) 有耗能筋 PSBC c) 滞回曲线对比图 1-2 工程中应用的两类 PSBCFig.1-2 Two types of PSBCs used in bridge engineering控制墩柱震后残余位移的重要性是在 20 世纪八九十年代经历了多次震害后才逐步得到认知。自 20 世纪 60 年代，结构抗震理论已揭示结构变形及耗能能力是实现“大震不倒”设防目标的重要因素并开始使用“延性”来描述结构进入弹塑性阶段的抗震性能，，基于延性的抗震设计思想逐步形成[15]。1985 年 Mexico City 地震、1989 年 Loma Prieta 地震、1994 年 Northrige 地震及 1995 年 Kobe 地震等震害调查统计表明，当前基于延性抗震设计思想的设计规范在防止建筑桥梁结构倒塌、保护生命安全方面是相当有效的，但却无法保证结构具有良好的震后功能性和可修复性[16,17]，对抗震救灾及灾后重建工作造成了严重影响。而且，未倒塌结构的震后修复工作又带来高昂的间接经济损失，且大量结构由于震后残余位移过大而难以修复[18]。例如
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.22

【参考文献】