直接基于位移的预制拼装墩柱抗震设计

基于性能的设计是桥梁抗震设计未来的发展方向之一,而基于位移的抗震设计方法是实现基于性能设计的最佳途径。预制拼装预应力混凝土桥墩的受力特性与普通钢筋混凝土现场浇筑桥墩的受力特性有较大区别,为了实现中高烈度区桥梁快速化施工建造,对基于位移的预制拼装预应力混凝土桥墩抗震设计方法进行研究。基于节点弯矩-曲率分析和非弹性位移反应谱,提出基于位移的预制拼装桥墩设计方法。首先根据基于性能的设计思想,结合预制拼装桥墩的受力特点,确定5个性能水平和对应的工程需求参数;然后推导塑性转动从接缝张开算起的目标位移的计算方法;提出单柱式预制拼装桥墩直接基于位移的抗震设计步骤,对该种旗帜形滞回响应结构的等效黏滞阻尼、非弹性位移反应谱、设计水平力、弹性开裂刚度等内容进行研究。以某拟静力往复加载试验预制拼装桥墩为例进行直接基于位移的设计,并进行纤维模型非线性地震时程分析,比较两者结果,验证所提方法的正确性。     

干接缝形状对节段拼装桥墩抗震性能的影响分析

为研究无粘结预应力筋连接的干接缝节段拼装桥墩在水平向低周往复位移荷载作用下的抗震性能和不同接缝形状的影响,建立了平面接触型和干接承插型两种接缝形式的实体有限元模型。其中混凝土采用损伤塑性模型,普通钢筋和预应力筋采用双折线模型,接缝处采用库仑摩擦模型。进行非线性时程分析,发现桥墩主要依靠接缝交替张开闭合提供水平变形能力,墩柱的破坏主要由底层节段混凝土压坏引起。通过两模型滞回特性、骨架曲线、延性性能和残余变形的对比,发现采用干接承插型接缝的桥墩与采用平面接触接缝的桥墩相比,最大承载力与耗能能力相当,但强度稳定段长,延性较好,残余位移也较小,具有更好的抗震性能。     

不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性能试验

为探讨预制拼装钢管混凝土桥墩抗震力学性能,充分发挥预制拼装钢管混凝土桥墩的抗震能力,以实际桥墩为参考,考虑不同拼装接缝形式、耗能钢筋配筋率和预应力轴压比等参数,设计和制作了6个摇摆式预制拼装预应力钢管混凝土桥墩和2个对比墩（1个摇摆式预应力钢筋混凝土墩和1个承插式预应力钢管混凝土墩）,共8个缩尺模型。采用拟静力试验方法,结合数值模拟揭示预应力预制拼装钢管混凝土桥墩的延性能力、自复位性能、滞回耗能特性、破坏模式和破坏机理。试验结果表明：对于2种构造下的钢管混凝土桥墩,摇摆式桥墩因其可发生一定范围内摇摆,并设置预应力筋和耗能钢筋,使其延性与耗能能力更加优异;在墩底设置UHPC座垫层,加载过程中其对承台的破坏相对较小,提高了桥墩的损伤容限;在相同的目标位移下,摇摆式试件残余位移小于承插式试件,表明摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩拥有良好的自复位特性;对于摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩,增大耗能钢筋配筋率,使得试件损伤状态出现滞后,耗能能力增强,减轻墩底接缝破坏程度,同时使得残余位移增大;增大预应力轴压比,其约束试件变形的自复位能力进一步增强,使试件残余位移减小,有利于桥墩在震后功能的快速恢复;通过建立各试件的有限元纤维模型,进一步验证了试验结果的准确性。研究成果可为后续预制拼装钢管混凝土桥墩的设计与应用提供试验基础。     

后张预应力节段拼装CFST桥墩抗侧力学行为试验

为发展绿色、高效及可恢复功能的新型预制装配式桥梁结构体系,提出将钢管混凝土(CFST)应用于后张预应力节段预制拼装桥墩的结构形式。介绍了后张预应力节段拼装CFST桥墩关键构造、受力状态及力学行为特征,建立其关键部件设计方法。设计并加工制作了试验模型试件,开展了轴心后张预应力节段拼装CFST桥墩侧向往复加载拟静力试验,揭示了其水平往复加载过程中的滞回行为、骨架曲线、预应力损失、耗能能力、节段间接缝张口、节段间接缝滑移及塑性铰发展等非线性力学行为。研究结果表明:该后张预应力节段拼装CFST桥墩具有较高的抗侧能力和良好的自复位性能,侧向承载能力失效时残余偏移率为0.2%;水平往复位移将会造成较大的预应力损失,失效时即水平最大位移偏移率5.8%时,预应力损失约15%;节段预制拼装CFST墩柱出现双塑性铰效应,底部接缝开口较大,其上相邻接缝处开口量显著减小;试验后接缝处没有出现显著水平移位或错动现象,预制节段墩身没有出现明显外观损伤,底部接缝处应力集中区域钢管内少量混凝土破碎,导致钢管局部屈服;无附加耗能装置的后张预应力节段拼装桥墩耗能能力较差,建议在接缝开口处附设耗能装置。研究成果可为自复位预制拼装CFST桥墩设计和性能优化提供重要参考。     

螺栓连接预制拼装CFST桥墩抗震性能试验

为发展适用于强震区的绿色、高效预制装配桥梁结构,提出2种基于螺栓连接的节段预制拼装钢管混凝土(CFST)桥墩。开展有轴向预应力和无预应力的预制节段拼装CFST桥墩侧向往复拟静力加载试验研究,简要描述了预制节段拼装桥墩在水平往复荷载作用下的结构变形和损伤过程,分析其恢复力-位移滞回性能、卸载刚度、预应力损失、节段间接缝张口等非线性力学行为。研究结果表明:基于螺栓连接的预制节段拼装CFST桥墩具有良好的水平承载能力和耗能能力,滞回曲线饱满,延性性能较好;桥墩轴向预应力可提高桥墩的自复位能力,合理设计连接钢管尺寸能够实现节段间接缝开口均匀分布,相对于传统拼装桥墩只有底部开口情况,该设计更能充分利用各节段强度;随水平加载位移增加,轴向预应力筋张拉力基本呈线性增加,在最大水平加载偏移率为7.7%时,桥墩仍具有良好的水平承载能力,水平力撤销后预应力筋张拉力损失约为加载前的20%。研究结果可为开展基于预制拼装钢管混凝土桥墩的结构设计和工程实践提供参考,对推动中国快速桥梁建造技术具有积极意义。     

基于灌浆波纹管锚固连接的预制拼装RC墩柱抗震试验

预制拼装钢筋混凝土（RC）墩柱与承台连接节点的关键构造及其抗震性能是强震区应用预制装配技术需要解决的关键问题。目前灌浆波纹管连接预制拼装RC桥墩主要应用于非强震区,其抗震性能和地震失效模式研究远落后于工程实践,针对此类问题,采用灌浆金属波纹管锚固钢筋技术连接预制拼装RC墩柱与承台,开展预制拼装RC墩柱拟静力往复加载试验研究。通过对比分析预制拼装RC墩柱与现浇RC墩柱的损伤演化过程、局部钢筋应变、失效模式和非线性力学行为评价基于灌浆金属波纹管锚固连接的预制拼装RC墩柱的抗震性能。结果表明：基于高强砂浆灌浆金属波纹管锚固连接的预制拼装RC墩柱的抗侧强度和现浇墩柱基本一致,但位移延性和耗能能力略低于现浇桥墩;预制拼装RC墩柱的损伤主要发生在墩底与承台接缝层的上下界面处以及墩柱底部塑性铰区域,承台内预埋波纹管锚固钢筋均未发生黏结滑移破坏;基于灌浆金属波纹管锚固钢筋连接技术可应用于强震区预制墩柱与承台的拼装连接。     

外置耗能器对自复位预制RC桥墩抗震性能的影响研究

以中国已建成的首座震后自复位桥梁-京台高速（北京段）黄徐路跨线桥为背景,结合自复位结构和装配式结构的特点,发展自复位预制RC桥墩新型结构。设计并制作对桥墩抗侧强度贡献率分别为0,20%及40%的3组外置耗能部件,并对3组自复位桥墩进行水平拟静力往复试验研究。通过桥墩变形和损伤演化过程、力-位移滞回曲线、骨架曲线、试件耗能能力、预应力筋张拉力变化、残余位移、接缝开口和受压区高度变化等评估自复位预制RC桥墩的抗震性能及外置耗能器对其影响。研究结果表明：外置耗能器耗能段均出现明显的高阶屈曲形态,耗能作用明显,附加外置耗能器自复位桥墩的滞回曲线呈明显的“旗帜”形;耗能器的抗侧强度贡献率越高,墩柱的滞回曲线越饱满,墩柱的耗能能力和抗侧承载力也明显提高;加载至偏移率3.5%时,自复位预制墩柱抗侧承载力无明显下降,表现出良好的延性性能;随墩顶水平位移增加,墩柱内轴向预应力筋张拉力基本呈线性增加,建议墩内竖向预应力筋初始张拉力不超过名义屈服强度的70%;为保证自复位墩柱具有较小的残余位移,建议附加外置耗能器对桥墩的抗侧贡献率不宜超过40%。研究可为自复位预制RC桥墩的结构设计、数值模型验证和工程实践提供参考。     

和若铁路预制装配式桥墩优化设计研究

以新建和若铁路预制装配式桥墩作为研究对象，研究铁路预制装配式桥墩构造设计对受载作用下其结构合理性、安全性及经济性影响。采用国家现行铁路桥涵设计规范对预制空心墩进行上部结构自重、二期、列车制动力三者组合加载。根据控制空心墩不同壁厚、不同预应力束数、不同墩柱后浇段高度等因素，基于MIDAS CIVIL软件建立桥墩受力模型，得到3类不同控制因素在墩顶、墩底和墩身关键点处发生的位移与弯矩的变化。研究表明：墩柱壁厚按45 cm设计时可以满足和若铁路实际工程的设计需要，同时也能获得更大的安全性和稳定性，与壁厚40 cm相比位移降低17.61%，弯矩变化很小，整体结构更加经济合理，能保证行车安全；预应力束数按12根设计时足以满足桥墩的力学性能，构造更经济合理；墩柱后浇段按4 m设计时能够更好满足和若铁路实际工程需要，同时提高结构的安全性和稳定性，与3.2 m相比墩顶水平位移降低1.61%，对弯矩影响不大。通过优化对未来预制装配式桥墩设计提供了理论指导和参考意义。     

预制拼装桥墩墩底隔震数值模拟及隔震影响因素分析

为了解墩底隔震技术在预制拼装桥墩中的隔震效果,基于OpenSEES软件,建立墩底设置铅芯橡胶支座的预制拼装桥墩纤维模型,选取3组不同强度、不同特性的地震动作为地震荷载,对桥墩进行非线性动力时程分析计算。通过分析桥墩模型在不同强度、不同特性地震动激励下的墩顶位移、墩底剪力、塑性铰节段内力、自振特性,对隔震效果进行评估;并研究了桥墩塑性变形和支座大变形对隔震效果的影响。结果表明:墩底隔震体系适用于预制拼装桥墩,采用墩底隔震可有效降低桥墩的地震响应,延长桥墩自振周期;受到预应力筋牵拉的影响,墩底隔震并不能减小桥墩底节段的内力,无法改善其在震后底节段受损严重的情况,隔震时应予以考虑;桥墩塑性变形增大和隔震支座大变形均可限制隔震支座隔震性能的发挥。     

装配式预应力桥墩地震损伤评估及影响参数分析

为明确装配式预应力桥墩的地震损伤性能,首先根据拟静力试验结果,对比分析装配式、整体式预应力桥墩以及钢筋混凝土桥墩在水平往复荷载作用下的损伤演化情况和破坏状态,然后应用6种混凝土损伤模型对桥墩试件进行损伤评估,分析各损伤模型的可靠性和适用性,最后基于OpenSees数值模拟,对恒载轴压比、纵筋配筋率、体积配箍率、耗能钢筋配筋率以及预应力筋配筋率等影响预应力桥墩损伤性能的参数进行分析。研究结果表明：在相同墩顶偏移比下,整体式预应力桥墩较钢筋混凝土桥墩的损伤更为严重,原因是承载力增大所致;而装配式预应力桥墩比整体式预应力桥墩损伤小是由于接缝张合导致耗能能力降低与接缝处耗能钢筋设置无黏结段造成的;与其他5种损伤模型相比,王东升修正的Park-Ang损伤模型对桥墩试件的损伤评估效果最符合实际情况,且离散性较小;塑性铰区域的体积配箍率是影响桥墩损伤性能的主要因素,且桥墩的损伤随着体积配箍率的增大而减小。     

新型铁路桥墩的抗震性能研究

针对铁路桥梁摇摆隔震桥墩整体侧向刚度较低的问题,提出在桥墩与承台分离处设置无粘结预应力筋,形成新型桥墩。以某单线铁路桥为例,针对其18号墩提出新型桥墩设计方案,考虑预应力钢筋及其初始预加力损失,基于OpenSees平台建立有限元模型进行地震反应分析,研究其抗震性能。结果表明:罕遇地震作用下,墩顶水平位移、竖向提离位移、墩底弯矩、摇摆反应及预加力损失明显大于设计地震作用下的相应值,但墩底弯矩的增幅小于墩顶水平位移的增幅;输入地震动强度及频谱特性对墩顶位移与墩底提离位移的影响较大,对墩底弯矩的影响相对较小;新型桥墩容易实现罕遇地震作用下不坏的抗震设防要求,具有较好的抗震性能。     

预制节段拼装桥墩的地震损伤指标研究

为了获得预制节段拼装桥墩的地震损伤合理评价指标,对地震作用下无粘结预应力预制拼装桥墩的损伤演变过程与损伤状态进行综合分析。从受压混凝土应变、受拉钢筋应变和预应力度等角度确定预制节段拼装桥墩各损伤状态界限的力学特征。基于OpenSees纤维模型拟静力分析以及与试验结果的对比,获得预制节段拼装桥墩的损伤指标计算公式。研究结果表明,基于纤维单元模型的拟静力分析能够较好地模拟预制拼装桥墩的地震损伤;不同桥墩对应各损伤状态的损伤指标限值有一定差别;提出的预制节段拼装桥墩损伤指标计算方法较好地适用于其地震损伤状态分析与评估。研究结论可为预制节段拼装桥墩的地震易损性研究及抗震设计提供参考。     

预制拼装PC箱形墩双向拟动力试验研究

为研究预制拼装PC箱形墩在双向地震作用下的响应规律和损伤机理,以某高速公路桥梁的箱形墩为背景,设计3个缩尺比为1∶12.5的PC箱形墩模型试件(2个预制拼装和1个整体现浇),通过双向拟动力加载试验分析3个试件的破坏模式、骨架曲线、耗能、预应力变化规律。结果表明:在双向地震作用下,预制拼装试件的混凝土开裂和压碎都集中在接缝区域;预制拼装试件的骨架曲线没有强度稳定阶段,大致呈双折线;在截面强轴方向,试件的耗能能力非常接近;在断丝之前预应力随加速度峰值的增加基本呈线性增长,预应力突然增大时断丝。进行预制拼装PC箱形墩抗震分析时,建议重点分析墩角位置预应力筋的应力。     

基于CDP模型的装配式双柱桥墩在低周往复加载下的力学性能研究

以南京市某改扩建装配式桥梁建设为背景,研究低周往复加载作用下装配式双柱实心桥墩的整体力学性能。利用混凝土塑性损伤模型(CDP)与Clough钢筋模型建立考虑套筒的节段装配桥墩有限元模型,分析装配式桥墩的混凝土损伤、钢筋应力等随加载过程的变化规律。结果表明,灌浆套筒局部加强墩柱刚度,使得混凝土损伤上移;混凝土损伤先出现在墩的顶底部,但首先被压坏的部位位于墩柱中部;墩中部箍筋首先屈服,最终墩顶、底部的纵筋大部分屈服;双柱实心矮墩的滞回曲线较扁,耗能能力较弱。     

配置高强钢筋与普通钢筋的预制桥墩滞回性能试验

预制拼装桥墩的抗震性能是桥梁工业化技术的研究热点之一。在预制拼装桥墩的设计中,采用高强钢筋替代普通强度的钢筋,可以减少钢筋用量,加快接缝面的钢筋连接速度,然而,其抗震性能需要进一步研究。为对比钢筋强度对预制拼装墩柱的抗震性能影响,制作了2个具有相同尺度的混凝土试件,分别配置高强钢筋（HRB600E）和普通强度钢筋（HRB400）,开展滞回加载试验研究。结果表明：采用高强钢筋的预制拼装桥墩,具有较大的等效屈服强度和极限强度,且在塑性阶段,其极限位移和屈服后位移角增量也显著增加,同时,其较小的滞回耗能和残余位移,表明这种桥墩具有较小的塑性损伤和较好的自恢复性能;采用高强钢筋的预制拼装桥墩的刚度退化速度较为缓慢,残余刚度大,有利于震后应急通行和修复。最后,本文还对高强钢筋与普通强度混凝土在预制拼装桥墩中的联合使用进行了合理性论证。研究成果可为预制拼装桥墩抗震设计提供参考。     

预应力混凝土桥梁节段预制干接缝抗剪性能分析

为研究预应力混凝土桥梁节段预制干接缝的抗剪性能,以预应力混凝土T梁干接缝节段作为研究对象,基于混凝土塑性损伤模型,采用ABAQUS有限元软件建立了混凝土梁节段预制干接缝的三维有限元模型,计算分析了模型在荷载作用下的受力性能.结果 表明:预应力混凝土桥梁节段预制干接缝在弯剪作用下键齿易开裂;剪跨比对节段梁的承载力影响较大,随着剪跨比的增大而减小;接缝的张开是影响节段梁受力性能的关键因素.我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范和美国AASHTO规范计算的抗剪承载力与有限元结果吻合较好.     

预应力节段拼装桥墩力学性能研究

采用拟静力方法比较分析有(无)粘结预应力钢筋、不同预应力钢筋配筋率、不同配箍率和不同节段数量共10种预应力节段拼装桥墩的变形、节段间接触状态、裂缝、预应力钢筋应力和骨架曲线的异同。结果表明:无粘结预应力比有粘结预应力应力均匀,预应力钢筋不容易屈服;接缝的张开是不可避免的,张开的大小和次序与水平位移和节段高度相关;提高节段混凝土配箍率作用有限;同一墩高情况下节段数目对性能几乎没有影响;轴压比在25%左右是一个比较理想的状态。     

外置角钢摇摆-自复位双柱墩抗震性能分析

针对预制-拼装结构的施工优势、摇摆-自复位结构的抗震优点及角钢的特性,提出含角钢的摇摆-自复位双柱墩和含角钢及耗能钢筋的摇摆-自复位双柱墩。基于OpenSees数值平台建立了这2种双柱墩的精细化数值分析模型,分别结合角钢的循环拉压试验以及摇摆-自复位双柱墩的拟静力试验结果验证了模型的准确性。在此基础上,通过拟静力和动力时程分析,并通过与普通钢筋混凝土双柱墩的对比,揭示了新型摇摆-自复位双柱墩的抗震能力。结果表明:与普通双柱墩相比,摇摆-自复位双柱墩侧向初始刚度减少,自振周期增大;在0.4g近断层地震动下预应力筋始终处于弹性阶段且桥墩震后几乎无残余位移,便于双柱墩的震后功能恢复;外置角钢在0.1g近断层地震动下屈服并开始耗能,在0.4g近断层地震动下可能发生拉断破坏;在摇摆-自复位双柱墩接缝处配制一定的耗能钢筋后(配筋率小于0.4%),可降低墩顶变形,减少预应力筋应力和外置角钢的变形,且摇摆-自复位双柱墩的震后残余位移未明显增加。     

腐蚀环境对钢筋混凝土桥墩的抗震性能影响分析

针对沿海地区桥梁桥墩在高氯环境下的腐蚀问题,采用Open Sees软件构建氯腐蚀环境下桥梁材料退化模型,通过模拟3种典型工况下的桥墩地震反应特征,获得腐蚀环境下桥墩柱的抗震性能,研究结果表明:考虑材料退化后,随桥梁服役时间延长,最大墩顶位移不断增大。仅箍筋腐蚀环境下,桥墩截面抗弯能力略有下降,延性显著降低,最大墩底截面的弯矩和延性系数变化较小;仅纵筋腐蚀环境下,桥墩截面抗弯能力和延性表现出较大差异,抗弯能力降低的同时延性略增加;同时考虑纵筋、箍筋腐蚀环境时的桥墩截面抗弯能力降低,延性下降,桥墩整体结构的抗震能力降幅最大。     

钢纤维自密实混凝土节段拼装桥墩拟静力试验研究

为减少地震作用下节段拼装桥墩接缝处混凝土的破坏,以及研究钢纤维自密实混凝土的耗能能力,分别制作了普通自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土的节段拼装桥墩模型。采用拟静力试验研究2个试验模型的抗震性能,对试验过程中的节段接缝破坏特点、力-位移滞回曲线和耗能能力进行了分析。研究结果究表明:钢纤维能有效延缓裂缝的发展和混凝土剥落的发生,但拟静力试验中钢纤维自密实混凝土的耗能能力并没有得到提高。