车辆撞击下UHPC桥墩抗冲击性能研究北大核心

为了解UHPC桥墩在车辆撞击作用下的抗冲击性能,采用Abaqus软件建立车辆撞击桥墩的精细化有限元模型,分析UHPC桥墩在不同车辆撞击速度下的冲击力、位移以及桥墩刚度退化情况,并与普通混凝土桥墩进行对比,同时对UHPC抗压强度、UHPC桥墩截面形式、UHPC保护层厚度对桥墩抗冲击性能的影响进行研究。结果表明:在同一车辆撞击速度(60~120 km/h)下,UHPC桥墩比普通混凝土桥墩所受冲击力大180%~250%,墩顶位移是普通混凝土桥墩的39%~49%,UHPC桥墩具备更好的抗冲击性能;UHPC抗压强度对桥墩的抗冲击性能影响较大,UHPC抗压强度越高,桥墩抗冲击性能越好;UHPC桥墩截面形式对桥墩抗冲击性能有显著影响,与矩形和方形截面相比,UHPC圆形截面桥墩的抗冲击性能更好;UHPC保护层厚度对桥墩抗冲击性能影响不大,其抗冲击性能随保护层厚度的增加而略有提升。     

缓冲器对钢筋混凝土桥墩撞击性能影响的试验研究

采用落锤冲击实验装置,进行钢筋混凝土桥墩模型在侧向撞击荷载下的动力性能试验,研究在桥墩模型表面设置缓冲器对试件撞击动力响应的影响.比较了不同缓冲器的缓冲效果,分析了影响桥墩模型冲击裂缝扩展和破坏模式的主要因素,研究了冲击能量和试件峰值动力响应及撞击体平均冲击力的关系.试验证明,所设置的缓冲器可以较大程度地减少构件的冲击动力响应,对撞击区受压钢筋峰值压应变可降低74.60%,受压混凝土峰值压应变可降低54.69%,受拉钢筋峰值拉应变可降低63.02%,跨中峰值位移可降低57.73%,抗开裂冲击能增加180%,撞击体的平均冲击力可降低78.59%.研究结果表明,经合理设计的缓冲器具有高效的缓冲作用,可用以提高桥墩的抗撞能力.     

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。     

圆形截面钢筋混凝土墩柱的轴压比限值探讨

结合现行规范简化公式,探讨圆形截面墩柱的轴压比限值.首先,根据构件平截面假定,以及纵向受拉钢筋和受压区混凝土同时达到各自强度设计值的界限状态,以受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值α作为判别条件,推导出混凝土受压区相对界限角度比值αb的计算公式;然后,与偏心受压构件M～N曲线拐点位置进行对比,并采用实体单元有限元混凝土裂缝模型进行校核.结果 表明,混凝土受压区相对界限角度比值αJ与规范简化公式匹配较好,可作为区分圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件大、小偏心状态的判别条件.在此基础上,推荐了对应于不同钢筋种类和混凝土强度等级的轴压比限值.     

跨海大桥半装配式组合桥墩设计及抗震性能试验

为研究采用外包超高性能混凝土(UHPC)的钢管(ST)作为免拆模板，内浇普通混凝土(NC)的组合桥墩的抗震性能，以罗屿大桥为工程背景，开展了UHPC-ST-NC组合桥墩结构设计，并制作了3个不同设计参数的组合桥墩(编号URST-1、UHST-1、UHST-2)和1个整体现浇钢筋混凝土(RC)桥墩(编号ZT-1)。通过开展桥墩试件的拟静力试验，分析各试件的破坏模式，对比各试件的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力、刚度退化等性能指标，并采用Abaqus有限元软件分析UHPC径厚比和钢管径厚比参数对组合桥墩的抗震性能的影响。结果表明：采用UHPC-ST模板取代钢模板的设计方案，不仅能提高桥墩的耐腐蚀能力和耐冲刷能力，并且节省了拆模的时间，提高了施工效率；UHPC-ST-NC组合桥墩在地震作用下的破坏模式与整体现浇桥墩类似，均为压弯破坏，但其破坏程度明显轻于整体现浇桥墩；与ZT-1试件相比，URST-1、UHST-1、UHST-2试件的峰值荷载分别提升了56.9%、68.0%、69.6%,水平承载能力更高；峰值位移也分别提升了11.8%、24.2%、68.0%,残余位移更小，耗能能力更强；...     

双筋矩形混凝土墩柱开裂刚度分布特性分析

以双筋矩形混凝土墩柱构件为对象,从基本的力学概念出发,运用无量纲分析方法,讨论构件在弹性范围内受弯开裂时的截面受压区高度与刚度分布特性。以此为基础,从理论上提出混凝土受弯构件开裂后弯曲刚度的"三段式"近似模拟方法,对钢筋混凝土墩柱构件等效刚度的相关理论研究及试验研究工作具有一定参考价值。     

新型组合结构高墩的静力学分析方法

特大跨桥梁的塔柱以及超高桥梁的墩柱通常采用薄壁截面形式，以克服自重过大的问题。当薄壁墩柱遭遇强地震作用时，通过墩柱产生塑性铰来耗散地震能量，保护整体结构的安全性。但薄壁墩柱存在耗能能力有限、修复困难的缺陷，为便于概念设计，通过对该结构体系进行力学简化，使用连续连杆法对受力特征进行分析，建立了相应的力法方程并对其理论求解方法进行推导；根据位移等效原则，求解出顶部受集中力的悬臂墩等效惯性矩，便于计算顶部位移；提出了比例参数的概念，用于结构构件进行参数优化，可方便、有效地实现结构的力学性能设计；为验证连续连杆法、等效惯性矩计算方法的可靠性，进行了有限元数值分析。研究结果表明：解析解与试验结果及有限元分析结果吻合较好；提出的新型自耗能高墩兼具较大的耗能能力和可恢复性的优势；采用连续连杆法分析新型自耗能高墩结构体系的内力和位移是可行的。所得结果对新型自耗能高墩结构体系的设计具有指导性，利用等效惯性矩求解结构的顶点位移可以很好地满足设计精度要求。     

UHPC和预制榫卯混合连接装配式RC桥墩拟静力试验

为研究现浇超高性能混凝土(UHPC)和预制榫卯混合连接构造对装配式钢筋混凝土(RC)桥墩抗震性能的影响，以某实桥为背景，按缩尺比1∶5、轴压比0.1设计、制作了4个桥墩试件(ZT-1试件为整体现浇；CFST-1试件为钢管混凝土榫卯和灌浆套筒混合连接；UT-1试件和UT-2试件为现浇UHPC和预制榫卯混合连接，UHPC湿接缝分别位于墩底及距离墩底200 mm处)。通过桥墩试件的拟静力试验，分析各试件的破坏模式，并对比各试件的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力及刚度退化等参数。结果表明：4个试件均为压弯破坏，ZT-1试件和UT-2试件的塑性铰位于墩底，CFST-1试件和UT-1试件发生了塑性铰上移的现象；与ZT-1试件相比，UT-1试件和UT-2试件的峰值荷载分别提高了3.52%和7.09%,位移延性系数分别提高了2.22%和4.60%;与CFST-1试件相比，UT-1试件和UT-2试件的峰值荷载均小于CFST-1试件，但UT-1试件和UT-2试件的位移延性系数分别提高了18.38%和21.14%;UT-2试件的整体耗能能力优于UT-1试件；UT-1试件和UT-2试件的承载能力下降较为...     

PP-ECC用于墩底塑性铰区域的抗震性能试验

为增强桥墩的抗震能力，探讨塑性铰区域采用聚丙烯纤维水泥基复合材料（PP-ECC）桥墩的抗震性能和损伤容限，设计并制作3个剪跨比为7的钢筋混凝土高墩试件，其中2个桥墩试件的塑性铰区域采用不同高度的PP-ECC材料，1个普通混凝土桥墩为对比试件。基于低周反复荷载试验获得桥墩试件开裂过程、破坏形态和水平力-位移滞回曲线等试验结果，对比分析墩底潜在塑性铰区采用不同PP-ECC高度对桥墩延性、承载力、耗能以及刚度等抗震性能指标的影响，并与普通混凝土桥墩的抗震性能指标进行对比分析。研究结果表明：与普通混凝土桥墩相比，采用PP-ECC材料可以明显改善桥墩的破坏形态，控制裂缝的宽度和发展，提高桥墩的损伤容限；局部使用PP-ECC材料可以提高桥墩的位移延性系数，该构件具有良好的变形能力和抗倒塌能力；相对普通混凝土桥墩，PP-ECC桥墩的滞回曲线面积更大且滞回环更加饱满，骨架曲线下降段较为平缓，承载能力和刚度退化缓慢，耗能能力提高了20%；PP-ECC材料高度增加1倍，桥墩位移延性系数提高了15.2%，能量耗散系数变化不大，试件的侧移刚度有一定的提高，刚度退化变缓；墩底PP-ECC材料与普通混凝土相交的界面未出现剪切滑移现象，可见PP-ECC材料的黏结性较好，可以保证2种材料协同受力，共同工作。     

钢筋超高性能混凝土梁受弯试验和有限元分析研究

该文以钢纤维体积掺量、配筋率为基本参数,进行了12根钢筋超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)试验梁和2根普通钢筋混凝土(RC)试验梁的受弯性能试验研究。试验结果表明:UHPC试验梁的开裂、屈服和破坏荷载以及结构刚度均比RC试验梁大,UHPC试验梁的屈服和破坏荷载、延性和抗裂性均随着钢纤维掺量和配筋率的增加而提高。有限元模型参数分析结果表明:配筋率对UHPC试验梁屈服荷载与破坏荷载影响较大,而钢纤维掺量对开裂荷载影响较大;钢筋屈服强度可有效提高UHPC试验梁的延性;UHPC受拉强度的增加对开裂荷载的提高比屈服荷载和破坏荷载明显。最后,提出正截面抗弯开裂弯矩与极限承载力的计算公式,为UHPC桥梁设计规范的制定提供参考。     

预应力钢板箍与CFRP复合加固RC墩柱轴压性能试验研究

提出一种新型的采用预应力钢板箍(PSJ)和碳纤维布(CFRP)复合加固钢筋混凝土(RC)墩柱加固方法(简称PSJ-CFRP)。为验证该新型加固技术的可行性和有效性,进行了8个足尺圆形墩柱轴压性能试验,研究参数包括不同加固方法(PSJ、CFRP和PSJ-CFRP)、钢板箍预应力水平、PSJ与CFRP加固配箍特征值等,比较分析采用不同加固方式加固试件的加固效果、破坏形态和承载力等,研究了PSJ-CFRP复合加固RC墩柱的受压机理,钢板箍预应力度、PSJ与CFRP加固配箍特征值等关键参数对试件轴压性能的影响和规律。试验结果验证了PSJ-CFRP复合加固技术的有效性,CFRP与钢板箍协同工作、优势互补,既提高了试件的承载能力,又改善了试件的变形性能,加固试件呈现延性破坏特征。采用CFRP加固的试件,试件的承载能力得到提高,但变形能力降低,呈现脆性的破坏特征。在相同加固配箍特征值下,减小加固箍板净间距能取得更好的加固效果。在试验和理论分析的基础上,提出了PSJ-CFRP复合加固RC墩柱轴向受压承载力计算公式,能较好地预测加固墩柱的轴心受压承载力。     

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。     

Finite element analysis of collapse of front side rails with new types of crush initiators

Today’s vehicles are designed with lighter weight to increase performance and to lower fuel consumption, while at the same time meeting the demands of safety requirements. Reducing the cross-section of structural elements to achieve weight reduction can lead to adverse effects on passive safety of the vehicle. In such cases, necessary design modifications must be created to overcome the adverse effects. For this purpose, front rail columns with crush initiators are used in the front zone of cars. These shock-absorbing elements act as energy consuming devices that convert impact energy (kinetic energy) into plastic deformation energy. Simulation of this energy conversion phenomenon is the subject of this paper. The primary objective of this study is to computationally determine how various crush initiators can reduce the maximum crushing force and how different types of structural modifications affect the observed folding form. The ribs near the crash area are placed in two rows and four different configurations on all facing sides of the column in order to decrease reaction forces and absorb more kinetic energy. These structures are analyzed under axially loaded crushing forces using the explicit nonlinear finite element analysis solver ANSYS/LS-DYNA.     

UHPC在隧道衬砌裂损整治中应用的可行性及性能要求研究

为解决隧道二次衬砌裂损整治中面临的净空限制等问题，提出采用超高性能混凝土（UHPC）代替普通混凝土作为衬砌补强材料，并对其可行性及材料力学性能要求进行系统研究。基于异性材料叠合梁理论对裂损衬砌和加固层的共同受力机制进行研究，得到加固材料的力学性能与结构受力特征之间的关系，从而得到加固工程对加固层厚度及UHPC力学性能要求； 在此基础上，提出一种实体单元应力和内力换算的计算方法，并通过有限差分法数值模拟，对衬砌与加固材料之间结合面的受力特征进行分析，从而得到加固工程对UHPC和普通混凝土之间黏结强度的要求。研究结果表明： 对于承载力损失不超过40%的衬砌，可采用UHPC进行加固； 对于承载力损失不超过15%的衬砌，UHPC的使用可将加固层的厚度减小到10 cm左右。     

钢筋UHPC矩形截面受弯构件的钢筋应力简化计算

为建立钢筋UHPC矩形截面受弯构件的钢筋应力简化计算方法，首先基于UHPC结构计算的基本假定建立了钢筋应力数值计算方法，然后推导并修正了考虑UHPC抗拉贡献的钢筋应力简化公式，最后通过与国内外文献相关试验结果进行对比，对所提出的钢筋应力简化公式的适用性进行了验证。结果表明：①数值计算方法所得钢筋应力预测值与实测值整体吻合良好，证明了该方法的有效性。②由于忽略了UHPC的抗拉贡献，直接采用GB 50010—2010规范和JTG 3362—2018规范推荐钢筋应力公式计算所得UHPC构件的钢筋应力误差较大。③根据UHPC结构计算基本假定推导出UHPC受弯构件开裂截面钢筋应力简化公式，并结合参数分析结果建议简化公式中系数α取值0.85，β取值0.50；钢筋应力在125~400 MPa范围时，简化公式预测效果较好；但当钢筋应力在40~125 MPa范围时，由于过高估计UHPC的抗拉贡献，简化公式预测结果明显偏小，甚至出现负值。④为避免简化公式过高估计UHPC抗拉贡献，改进了UHPC受拉贡献系数β的取值方法，进而得到了钢筋应力修正公式；修正后钢筋应力计算值在裂缝发展阶段内，与实测值、数值分析值均整体吻合良好，且与其他文献的钢筋应力试验值吻合也较好，表明修正公式的适用性也较好，可为UHPC结构设计规范的编制提供参考。     

低配筋UHPC中空短柱轴心受压力学性能

为研究低配筋UHPC中空短柱在轴心受压下的极限承载能力及其影响因素，以UHPC材料特性研究为基础，设计并制作18根不同壁厚、不同箍筋间距的低配筋UHPC中空短柱，开展轴心受压破坏试验研究及理论研究。采用控制变量法对比分析宽厚比、箍筋间距对低配筋UHPC中空短柱的极限荷载、破坏形态、轴向和横向变形的影响。研究结果表明：所有UHPC中空短柱在达到极限承载能力的70%之前，力学性能接近线弹性变化，侧向变形较小，在0.5 mm之内；随着变形的增大，试件出现微小裂缝并伴有钢纤维拔出声，细而密的裂缝显著增多，达到极限荷载时，试件均发出爆裂声；当设计宽厚比分别为5.67和3时，无箍筋UHPC空心短柱的极限承载力为理论计算值的70.88%和87.65%；随着箍筋间距加密，极限承载力有所提高，但加密至一定程度后，承载力不再增长，接近材料强度极限值；采用UHPC塑性损伤本构模型对构件进行数值模拟，分析结果与理论计算和试验结果符合较好，按照直接强度计算法得到的中空短柱极限荷载接近试验值，可供UHPC柱设计提供参考。     

环向预应力钢绞线加固RC拱肋力学性能试验

通过RC方柱偏压试验和RC拱肋面内受力全过程试验，对环向预应力钢绞线（LPSW）加固拱桥方法进行研究。对相对偏心距分别为0，0.25，0.5的3类RC方柱进行偏心受压试验，偏心试验表明：RC方柱加固后，预应力钢绞线先于箍筋约束混凝土，有效抑制了混凝土裂缝的纵向开展，预应力钢绞线及箍筋之间具有良好的变形协调性；LPSW加固柱承载力提高了3%～34%，LPSW加固技术适合于小偏心受压结构，偏心距越小，增强效果越明显。在偏压试验基础上，拓展了LPSW加固RC拱肋的模型试验，对LPSW加固模型拱荷载-挠度曲线、截面应变和结构破坏模式等方面进行分析。拱肋试验表明：LPSW拱肋受力过程和破坏模式与RC拱肋相似，分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段，最终因出现5个塑性铰形成机构而呈塑性破坏。由于环向预应力钢绞线约束，使RC拱肋提前处于3向受压应力状态，横向膨胀受到约束，避免拱肋出现拉应力，加固拱肋的初裂荷载、钢筋屈服荷载和极限荷载为未加固拱的2倍、1.6倍和1.47倍。基于偏压柱及拱肋试验结果，利用弹塑性失稳理论的等效梁柱法，建立LPSW加固拱肋极限承载力的计算公式，计算值与试验值吻合较好，且偏于安全，可用于评估实际加固拱桥的承载能力。     

不同配箍率和钢纤维掺量UHPC柱抗震性能试验

为明确超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）柱中配箍率和钢纤维掺量对抗震性能的影响,对不同配箍率（0%、0.25%和0.5%）与钢纤维体积掺量（0%、1%和2%）的5根超高性能混凝土足尺柱试件进行了抗震性能试验研究,分析了配箍率和钢纤维掺量对超高性能混凝土柱耗能能力、自复位能力、强度退化性能、刚度退化性能以及弯矩曲率关系的影响规律。基于对超高性能混凝土柱构件性能、箍筋应变以及等效侧向约束力的分析,提出钢纤维体积掺量与配箍率的等效计算公式。研究结果表明：①配箍率对正截面破坏超高性能混凝土柱的延性、耗能能力以及自复位能力均有影响,当配箍率从0%提高到0.5%时,柱试件的延性系数提高15%,耗能能力提高55%,自复位能力提高32%;②钢纤维体积掺量对超高性能混凝土柱破坏形态的影响显著,随着钢纤维体积掺量的增加,混凝土的压碎剥落现象得到明显改善,延缓了受压钢筋屈曲现象的发生,从而提高了柱的延性,当钢纤维体积掺量从0%提高到2%时,柱试件的延性系数提高45%,耗能能力提高142%,自复位能力提高42%;③对于正截面破坏的受压构件而言,采用钢纤维代替箍筋具有一定的可行性。对于所研究的超高性能混凝土柱而言,2%的钢纤维体积掺量可等效于0.51%的配箍率。     

UHPC模壳-RC叠合盖梁受力性能试验

由于整体预制RC盖梁对起重和运输设备要求高,而分段预制盖梁的拼接缝容易发生渗水且在节段分界面上纵筋不能连续传力,因此提出一种在UHPC模壳内部现浇混凝土的半预制叠合盖梁。开展带剪力键和不带剪力键的2个UHPC模壳-RC叠合盖梁和1个现浇RC盖梁对比试件的静力试验,并通过有限元模型分析了结合面黏结程度对叠合盖梁受力性能和破坏模式的影响规律。研究结果表明：UHPC模壳-RC叠合盖梁的破坏模式与现浇RC盖梁一致,均为剪压破坏;不带剪力键的叠合盖梁开裂荷载和极限承载力分别比现浇RC盖梁提高了42.1%和13.8%,同时可以有效降低裂缝宽度的扩展,但叠合盖梁存在界面脱开,核心混凝土拱起和UHPC模壳竖向开裂等现象;剪力键可以增大交界面黏结程度,有效减小最大裂缝宽度和交界面裂缝宽度的扩展速度,其交界面开裂荷载和极限承载力比不带剪力键的叠合盖梁提高50.0%和12.1%;理想界面黏结状态下,UHPC模壳可以达到极限压应变,材料性能得到充分发挥,说明UHPC模壳可以完全参与整体受力,但极限承载力仅比带剪力键叠合盖梁提高8.8%。以上结果说明,带剪力键的UHPC模壳-RC叠合盖梁具有良好的截面黏结强度和整体受力性能,可以推荐实际工程使用。