单柱墩拟静力试验仿真计算案例

在地震荷载作用下,钢筋混凝土桥墩是最易破坏的桥梁构件,如何较可靠地模拟钢筋混凝土桥墩在循环荷载作用下的非线性滞回反应是桥梁结构抗震研究的重要内容。以呈弯曲破坏形态的钢筋混凝土桥墩的拟静力试验结果为依据,基于OpenSees中的Beamwith Hinges Element单元,分别建立了圆形墩和矩形墩的滞回分析纤维单元模型。由计算结果与试验结果对比可知,所建立的纤维单元模型对桥墩的骨架曲线及滞回曲线都有良好的模拟效果,且能体现桥墩在反复加载过程中刚度、强度退化现象。     

预应力混凝土空心墩拟静力试验与数值分析

为研究预应力混凝土空心墩的抗震性能,对4个空心墩模型进行拟静力试验研究,并基于试件的破坏特征、滞回性能等试验结果,利用OpenSees软件,采用纤维梁柱单元模拟各空心墩在拟静力荷载下的力学行为,对比分析预应力混凝土整体式空心墩、装配式空心墩与钢筋混凝土空心墩的拟静力行为。结果表明:在钢筋混凝土空心墩中配置竖向无粘结后张预应力筋,可提高其刚度与水平抗力,增强滞回曲线的捏缩效应,减小残余位移,对累积滞回耗能影响不大;与整体式空心墩不同,添加耗能钢筋的预应力装配式空心墩没有出现明显的塑性铰区,曲率分布和剪切错动主要集中在墩底接缝处,滞回曲线呈明显的捏缩状,损伤程度较轻,其刚度、累积滞回耗能分别约为钢筋混凝土空心墩的100%、73%;建议的模型和方法能较准确地预测预应力空心墩的拟静力行为。     

长细比对柔性桥墩柱滞回性能影响分析

该文指出柔性桥墩柱是桥梁工程中经常采用的墩柱形式之一,为了研究不同长细比柔性墩柱的滞回性能,进行了3根圆截面柔性墩柱的低周反复加载试验,分析了其在循环荷载作用下的破坏过程,滞回曲线,刚度退化,强度衰减和骨架曲线。试验结果标明:长细比越大,试件的承载能力越差,滞回曲线越丰满,耗能能力越强。     

节段拼装桥墩拟静力试验研究

采用拟静力试验方法比较承插式和节段式两种预制拼装桥墩在循环荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力、残余变形和墩柱曲率分布的异同。试验结果表明：预应力筋提高了构件的自复位能力,而耗能能力降低;承插式构件破坏形态是弯曲为主的延性破坏,骨架曲线具有强度稳定段,水平抗力和耗能能力较优;节段式构件集中在节缝区域破坏,残余位移比承插式构件小得多。     

灌浆波纹管装配式PC双柱墩双向拟静力试验

为了解双向荷载作用下灌浆波纹管装配式双柱墩的抗震性能,设计和制作了现浇混凝土墩、灌浆波纹管连接和预应力灌浆波纹管混合连接装配式双柱墩构件。开展了装配式双柱墩的双向拟静力试验,研究了破坏模式、滞回特性、骨架曲线、刚度退化、残余位移和接缝张开规律等,并与现浇混凝土双柱墩墩进行比较,重点分析了灌浆波纹管连接装配式预应力混凝土（PC）双柱墩的位移延性和变形性能。结果表明,整体现浇墩和波纹管连接装配式双柱墩的破坏形态均是以弯曲破坏为主的延性破坏,预应力增大了轴压,使得双柱墩的柱脚混凝土压碎高度增大到15 cm,而灌浆波纹管连接装配式混凝土墩的柱脚破坏高度为10 cm。双向荷载作用下,现浇墩的耗能能力、极限承载力、刚度等均大于灌浆波纹管装配式墩。增加预应力筋后,装配式双柱墩强轴方向的滞回耗能、承载力、刚度和变形能力等可以接近现浇墩,其中承载力达到现浇墩的97.9%。位移延性系数为4.79,大于现浇墩的位移延性系数3.23,残余变形则降低到现浇墩的70%。同时,预应力灌浆波纹管装配式墩2个方向的位移延性和变形能力更为接近,均可以形成完全塑性铰机制,从而避免了一个方向的过早破坏,整体抗震性能明显提升。研究结果可以为灌浆波纹管装配式PC双柱墩的设计和应用提供试验基础。     

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。     

弯剪破坏钢筋混凝土矩形墩滞回模型

为建立针对弯剪破坏钢筋混凝土矩形墩的滞回模型,基于既有试验结果,提出了桥墩破坏模式判别准则。基于Ibarra-Medina-Krawinkler模型,将弯剪破坏矩形墩骨架曲线简化成4段,推导出相应的解析计算公式。在滞回规则中引入捏拢效应参数和滞回性能退化参数,用于描述弯剪破坏桥墩的捏拢效应和滞回性能退化。利用低周反复加载试验,验证骨架曲线计算方法的正确性,给出了捏拢效应参数和滞回性能退化参数关于剪跨比的取值方法。利用振动台试验,对建议的滞回模型进行了验证。研究结果表明:利用剪跨比和体积配箍率构成的判别准则能够有效判别出钢筋混凝土矩形墩的破坏模式,按照现行规范规定执行,能够保证矩形墩不发生剪切破坏,但仍存在发生弯剪破坏的可能性;所提计算方法提供的骨架曲线与试验结果吻合较好;建议当剪跨比小于2时,捏拢效应参数取0.5,滞回性能退化参数取600;当剪跨比大于3时,捏拢效应参数取0.8,滞回性能退化参数取1 000;当剪跨比介于2和3之间时,捏拢效应参数和滞回性能退化参数进行线性插值。经验证利用建议的滞回模型计算动力响应时,计算结果与振动台试验结果整体上吻合较好。     

高强混凝土加芯柱恢复力特性研究

基于6根试验柱在既定轴力下的低周往复加栽试验数据、滞回曲线及各阶段的柱顶水平荷载和位移,以峰值荷载点为基准,将试件的骨架曲线拟合为三线段,确定了试件屈服点、极限点与峰值点的关系,根据荷载达峰值时的柱顶水平位移及截面平衡条件推导出了峰值荷载的计算公式;对试验结果进行分析,得到了极限位移、峰值荷载对应位移与核心区纵筋配筋率、核心区面积比及配箍特征值的线性公式;结合试件的滞回规律构建了高强混凝土加芯柱的恢复力模型,并将计算滞回曲线与试验值进行了对比。结果表明：拟合的骨架曲线特征点的计算方法具有较高的精度,构建的恢复力模型与高强混凝土加芯柱的试验滞回曲线吻合较好。     

电化学除氯后钢筋混凝土桥墩的抗震性能

针对电化学除氯后钢筋与混凝土之间的粘结退化可能引起结构构件抗震性能劣化的状况,通过低周反复荷载试验,对混凝土桥墩电化学除氯处理后的抗震性能进行试验研究,分析试验构件的破坏特征、滞回曲线、耗能、骨架曲线和刚度退化的变化情况。研究结果表明:钢筋混凝土桥墩经电化学处理后,在反复荷载作用下,其破坏形式可能由弯曲破坏转化为弯曲-粘结破坏,滞回曲线由丰满变得干瘪,耗能能力降低,峰值后试件的承载力下降,刚度降低;在利用电化学除氯的优势延长钢筋混凝土结构使用寿命的同时,需要最大限度地降低电化学除氯带来的不利作用。     

可提离式群桩基础桥梁滞回性能模型试验

为了研究可提离式群桩基础桥梁的抗震性能,设计和制作了大比例尺的可提离式群桩基础和普通群桩基础单墩桥梁试验模型。试验模型采用细砂土箱模拟桩周土体的约束作用,并对可提离节点进行改进设计,以防止局部破坏。采用位移控制分级往复加载,进行拟静力试验研究,对比2种不同基础桥梁的基本抗震性能。试验结果表明:可提离式桩的桩身损伤要远小于普通桩,改进后的可提离桩的节点未见明显损伤;可提离式群桩基础单墩桥梁模型的滞回曲线呈明显的旗帜形,表明结构主要为非线性弹性变形,而普通桩基础桥梁模型的滞回曲线为典型的梭形,表明结构主要为塑性变形;可提离式群桩基础发生提离后,承台位移由平动为主转为以转动为主,表明提离式基础主要依赖承台以上结构的整体转动来适应水平地震作用,进而减小基础的受力和损伤;可提离式桩基础桥梁的残余位移仅为相应普通桩工况的10%,表明其具有较好的自复位性能;基于割线刚度的刚度退化指标不适宜评估自恢复结构的刚度退化,建议采用重新加载至正常使用极限状态下的最不利荷载组合时的刚度指标。     

弯扭耦合效应下混凝土桥墩的抗震性能

为了研究地震作用下压弯剪扭耦合作用对桥梁中墩梁固结墩的影响规律,进行了7根压弯剪扭耦合作用下钢筋混凝土桥墩的拟静力试验,确定了桥墩的不同破坏模式,给出了桥墩的剪力-位移和扭矩-扭转角滞回曲线和骨架曲线,分析确定了扭弯比、长细比、纵筋配筋率和箍筋配筋率等参量对桥墩弯扭耦合抗震性能的影响。基于理论分析和拟静力试验,给出了四线式剪力-位移骨架曲线和三线式扭矩-扭转角骨架曲线的理论模型。研究结果表明:理论骨架曲线和试验曲线吻合较好;理论模型揭示了钢筋混凝土桥墩弯曲和扭转的关键影响因素及耦合效应,其中剪力-位移理论骨架曲线主要取决于桥墩破坏截面的弯矩-曲率关系,扭转承载力主要来自于混凝土和箍筋2个部分,墩顶扭转角可以根据混凝土桥墩的弹性扭转角和扭转塑性铰的扭转角叠加计算;弯扭耦合效应会造成混凝土桥墩抗震性能发生明显的变化,较大的扭转效应会使桥墩在达到最大抗弯性能前发生破坏,而弯曲效应会大幅降低桥墩的抗扭承载力;随着长细比的减小,最大剪力增加,极限位移减小,最大扭距基本不变;纵筋率主要影响混凝土桥墩的抗弯承载力,对抗扭性能影响不明显,箍筋率主要影响桥墩的抗扭性能;工程中应采用考虑弯扭耦合的方法进行抗震设计。     

初始预应力对节段拼装空心桥墩抗震性能影响试验研究

为探究初始预应力对采用无粘结预应力连接方式的节段拼装混凝土桥墩抗震性能的影响，采用拟静力试验对2组预应力引起轴压比分别为0.075和0.150的模型试件，在循环荷载作用下的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性性能、残余位移、刚度退化、预应力损失、耗能能力等指标进行了对比分析。结果表明：1) 2组试件破坏模式均为弯曲破坏；2)初始预应力水平的提高有助于降低试件的预应力损失，同时也会降低其延性性能和残余位移，但基本不会对试件的刚度退化和耗能能力产生影响，不建议通过提高初始预应力的方式提高侧向承载能力。     

特大跨悬索桥索塔波形钢腹板横梁抗震性能试验研究(Ⅱ):试验结果及性能评估

雅安至康定高速公路泸定大渡河特大桥在国内外首次采用波形钢腹板组合箱型结构作为高烈度地震区特大跨悬索桥的索塔横梁,采用拟静力模型试验方法对新型索塔横梁体系的抗震性能进行研究。研究成果分为2部分介绍:前文介绍了模型试验设计及其有限元计算分析,本文在前文的基础上,重点分析实测的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、延性性能、刚度退化、耗能能力等试验指标,并对索塔横梁体系的抗震性能进行评估,同时对其塑性铰长度取值进行了初步探讨。试验结果表明:波形钢腹板箱型横梁满足抗震设计要求,索塔横梁联接体系能够实现"强剪弱弯、强节点弱构件"的设计理念,为高烈度地区大跨径悬索桥索塔横向联接抗震设计提供了一种新思路。     

被动分肢墩的抗震设计原理和试验研究

提出了一种新型抗震墩柱———被动分肢墩的抗震设计思想,通过对墩柱截面功能的合理设计,利用地震荷载对其中“牺牲”部件的破坏,调整墩柱结构的抗推刚度和动力特性,提高墩柱的抗震性能。拟静力试验表明:与普通延性墩柱相比,被动分肢墩具有更好的延性和耗能能力。     

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。     

混凝土填充高度对部分填充圆形钢管混凝土桥墩柱抗震性能影响的试验研究

为了研究混凝土填充高度对部分填充圆形钢管混凝土桥墩柱抗震性能的影响,根据混凝土填充高度的不同设计了4根桥墩柱试件,其中1根空钢管桥墩柱和3根部分填充圆形钢管混凝土桥墩柱。通过在桥墩柱顶施加恒定的轴向压力及水平低周往复荷载的拟静力试验获得各试件荷载-位移滞回曲线及破坏形态等试验数据。利用各试件荷载-位移骨架包络曲线和耗能能力等试验结果,分析了混凝土填充高度对该类桥墩柱抗震性能的影响。结果表明:混凝土的填充没有改变桥墩钢管局部失稳的破坏形态,但延缓了钢管失稳变形的发展;同时随着混凝土填充高度的增加极限承载力、延性、耗能能力等都有较大提高,达到极限承载力后,承载力下降随着混凝土填充高度的增加变缓,表现出良好的抗震性能。     

矩形空心墩等效塑性铰模型

为准确计算矩形空心墩变形能力，基于弯曲、剪切和纵筋滑移三分量变形模型分析影响有效刚度和等效塑性铰长度的主要因素。通过考虑剪切变形的贡献引入空心率的影响，确定计算有效刚度和等效塑性铰长度的公式形式。通过对48根发生弯曲破坏的矩形空心墩拟静力试验结果进行回归分析，分别标定出有效刚度和等效塑性铰长度计算公式中的参数。利用基于建议公式的等效塑性铰模型计算矩形空心墩荷载-位移骨架曲线，并与另外3根试件的试验结果进行比较。基于48根矩形空心墩拟静力试验结果，对各国规范关于有效刚度和等效塑性铰长度的计算公式进行评估。研究结果表明：矩形空心墩有效刚度随轴压比、纵筋率和剪跨比的增大而增大，随d_bf_y/（L·f_c）和空心率的增大而减小；等效塑性铰长度随墩高、截面高度、纵筋率、空心率及d_bf_y/f_c的增大而增大；利用基于建议公式的等效塑性铰模型得到的矩形空心墩荷载-位移骨架曲线与试验结果吻合较好；各国规范关于有效刚度和等效塑性铰长度的计算公式对矩形空心墩试验结果的估计均偏于不安全，建议公式具有更高的精度和更小的离散性。     

滚石撞击桥墩动力响应试验

为正确估计滚石撞击山区桥梁结构的动力响应,以中国西部山区中广泛采用的矩形桥墩为对象,利用45°,90°,135°不同高度重力摆锤下落,对3种不同截面尺寸(20cm×20cm,30cm×30cm,40cm×40cm)矩形墩柱进行冲击试验,从动态损伤扩展、墩柱撞击力及墩顶动力响应等方面研究矩形墩柱的冲击响应过程和破坏机理,并将墩柱撞击力时程曲线与中国《公路路基设计规范》(JTG D10—2016)及日本道路公团给出的等效静力撞击力计算公式进行对比和讨论。研究结果表明:冲击荷载作用下,墩柱可能出现整体损伤及局部损伤2种损伤形态,其中局部损伤出现在墩柱撞击区域,主要为剪切裂缝,整体损伤出现在墩底,主要为弯曲裂缝;墩柱整体刚度的提高对撞击区域混凝土局部损伤影响不大,但能减小墩顶位移,增大撞击力峰值;随着重力摆锤下落高度的提高,撞击初始动能越大,墩柱的墩顶位移及撞击力峰值都将增大;中国《公路路基设计规范》撞击力计算公式与试验平均撞击力接近,计算结果偏小,设计不安全,日本道路公团公式的分析结果与实测墩柱撞击力峰值吻合良好,建议工程设计予以采用。     

RC桥墩加载刚度退化及等效阻尼比试验

为揭示钢筋混凝土实心墩和空心墩的刚度退化规律及等效阻尼比,以剪跨比、配箍率和配筋率为设计参数,开展了7个方形实心墩和7个方形空心墩的低周往复加载试验。基于拟静力试验结果,探讨不同设计参数对实心和空心墩的滞回耗能及刚度退化的影响,建立了等效阻尼比与位移延性系数之间的关系,给出方形墩等效阻尼比的统一计算模型。通过文献中8组试验结果评估既有等效阻尼比公式,并验证所提出模型的适用性。研究结果表明：剪跨比对滞回耗能的影响不显著,而增加配筋率则可提高构件耗能能力;剪跨比对刚度退化的影响较配筋率和配箍率大,剪跨比越小的试件刚度退化越快;位移延性系数μ<3时,刚度退化系数随位移延性系数的增加呈指数下降,位移延性系数μ ≥ 3时刚度退化系数随位移延性系数的增加呈线性下降;等效屈服前等效阻尼比与刚度退化系数呈线性关系,等效屈服后等效阻尼比与刚度退化系数呈指数关系。既有等效阻尼比公式中,Priestley、程光煜和张艳青等所提公式的计算结果与试验值较为接近;较既有公式,所建议公式的计算值与试验值更为接近,适用于估算方形实心和空心墩的等效阻尼比。     

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。