基于套筒连接的装配式双柱桥墩模型的有限元分析

检验基于灌浆套筒连接的装配式桥梁下部结构在横桥向水平往复荷载下的抗倾覆能力,为北方地区装配式桥梁结构化施工提供可靠的数据参考。笔者基于ABAQUS有限元分析软件,探究两类桥墩塑性铰区域的形成及发展,分析混凝土及钢筋结构的屈服及破坏过程。研究结果表明装配式桥墩结构构件之间的摩擦力,使得墩柱上端塑性铰区域的竖向钢筋早于现浇桥墩屈服;屈服强度253.56k N小于现浇桥墩260.60k N,承载能力286.31k N略低于现浇桥墩294.43k N;装配式桥墩的初始刚度较大;加载后期套筒刚度的降低以及摩擦力使得桥墩刚度退化略微大于现浇桥墩,并且累积耗能略低;但装配式桥墩的延性略好于现浇桥墩;本文所设计的采用半灌浆套筒连接的装配式双柱桥墩具备与现浇桥墩相当的抗震性能,可以用于实际工程施工。     

预制节段拼装桥墩多节点转动推覆分析方法及试验验证

为了给预制拼装桥墩抗震设计计算提供参考,针对典型预制拼装桥墩所采用的仅无黏结预应力或无黏结预应力+耗能钢筋连接方式,考虑混凝土、耗能钢筋和预应力筋的非线性本构模型,推导了预制节段拼装桥墩多节点转动推覆分析计算过程。基于关键截面弯矩-曲率分析确定弯矩承载力和对应的墩顶水平荷载,然后计算各个接缝的弯矩和曲率,进而计算墩顶位移。开展了2种接缝连接方式预制节段拼装桥墩试件拟静力试验,将多节点转动推覆分析方法模拟结果与拟静力试验结果进行对比,分析预制拼装桥墩水平抗力-侧移曲线以及接缝张开、预应力筋应力、墩柱转角随侧移的变化,各种位移机理对墩顶位移的贡献,接缝处混凝土应变等。研究结果表明:多节点转动模型与单节点转动模型水平承载力计算结果基本一致,而多节点转动模型桥墩侧移计算结果大于单节点模型计算结果,多节点模型计算精度更高;多节点转动模型接缝张开、预应力筋应力和接缝转动计算结果与试验结果基本一致;开始时墩顶位移主要由剪切位移和整体弯曲位移提供,随着墩顶位移的增大,墩底接缝转动对墩顶位移的贡献逐渐占主导地位;墩柱混凝土轴向应变测试结果验证了各个接缝处混凝土应变随着墩高逐渐降低的趋势,接缝处的混凝土轴向应变远大于墩柱混凝土轴向应变。     

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。     

基于LS-DYNA的车-桥墩碰撞及可靠度研究

桥墩受到车辆碰撞后会产生不同程度的损伤,因此研究车-桥墩碰撞后的受力特性和可靠度具有很好的现实意义。首先以某连续梁桥为背景,建立了车-桥墩碰撞有限元模型,其中撞击车辆为常用卡车,材料为钢材,采用弹塑性本构关系。桥墩为双柱式墩,通过典型工况研究了桥墩遭受车辆撞击后墩柱体的剪应力、主应力等的发展规律和时间历程。然后采用一系列车-桥墩碰撞作用,拟合出车撞力计算公式,通过与其他文献及多国规范比较,表明了拟合公式的正确性。再将拟合公式代入模型,考虑某些参数为随机变量,分析了车辆与桥墩碰撞后的结构体系可靠度。结构体系由3个双柱式桥墩组成,其中任何一个双柱式墩破坏意味着整个结构破坏。双柱桥墩中两个墩柱视为串联体系,即一个墩柱失效则双柱墩失效。最后研究了各随机变量对单墩抗剪性能可靠性指标的敏感性。研究结果表明:桥墩在横桥向或顺桥向车撞力作用下均更容易发生剪切破坏,而桥墩墩底易发生弯曲破坏,墩底关键截面内力满足正态分布;混凝土强度对墩柱抗剪承载力可靠性指标的影响最大,在桥梁施工以及管理过程中需要重点关注结构混凝土强度变化。     

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。     

横向非等高双柱式桥墩抗震性能研究

为研究墩高差对横向非等高双柱式桥墩抗震性能的影响,以某山区3×(5×30)m梁桥为背景,建立OpenSees全桥有限元模型,采用增量动力分析方法(IDA),输入地震动,分析不同墩高差下墩柱关键截面的弯矩～曲率关系、曲率、墩顶位移以及曲率与位移关系。结果表明:地震荷载作用下,当墩高差在10m以上时对系梁位置处桥墩截面延性影响较大,随墩高差增加,与横向等高双柱式桥墩相比,墩顶截面延性有所减小,墩底截面延性增加较大;受墩高差影响,墩底与系梁位置处桥墩曲率在屈服后对地震动强度变化更敏感;墩顶位移总体与墩高差成反相关,墩高差对墩顶位移的影响在峰值加速度PGA=0.5g后差异较大,PGA由0.5g增加到1.0g时,随墩高差增大,墩顶位移减小量逐渐变小;受墩高差影响,横向非等高双柱式桥墩破坏模式差异显著。     

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。     

设置延性系梁的桥梁双柱墩抗震能力研究

为研究设置延性系梁对减少桥梁双柱墩横桥向地震损伤的效果,基于OpenSees数值分析平台,建立了无系梁和设置延性系梁的双柱墩抗震数值分析模型,通过拟静力和增量动力分析手段对2种双柱墩在地震作用下的反应进行研究,讨论了延性系梁设置对双柱墩地震反应的影响。结果表明:延性系梁提高了桥梁双柱墩横桥向的强度和刚度,地震作用下,系梁先于桥墩发生屈服,形成塑性铰并耗散地震能量,延缓了桥墩的损伤破坏过程,并减少了桥墩的曲率延性系数和墩顶的最大位移角。     

HRB500钢筋混凝土桥墩承载能力及延性性能研究

为研究剪跨比、钢筋强度及箍筋间距对混凝土桥墩承载能力及延性性能的影响,设计了4个混凝土实心墩试件(3个试件配置了HRB500钢筋、1个试件配置了HRB335钢筋),采用拟静力加载方案进行恒定轴压力作用下的低周往复加载试验,分析试件破坏特征、承载能力、延性性能、滞回曲线及耗能能力。研究表明:剪跨比较大的试件呈弯曲破坏形态,剪跨比较小的试件呈弯剪破坏形态;对于剪跨比较大的桥墩,配置HRB500钢筋的试件比配置HRB335钢筋的试件具有更高的承载能力和延性性能,配置HRB500的钢筋能够改善试件的滞回性能;增加箍筋间距能够提高配置HRB500钢筋试件的承载能力和延性性能。     

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。     

设置拉筋的铁路双柱式桥墩抗震加固分析

为确保双柱式桥墩在地震作用下的安全,以某铁路双柱式桥墩为例,提出了通过设置斜拉钢筋,减小桥墩在地震作用下的内力和位移响应,达到预防性抗震加固的目的。通过对双柱式桥墩进行PUSHOVER分析,求出桥墩屈服曲率和极限曲率及对应的弯矩、位移,并以此作为加固评价指标,评价多遇地震下及罕遇地震下斜拉钢筋对双柱式桥墩的加固效果。通过利用ANSYS有限元分析软件进行非线性时程反应分析,比较了双柱式桥墩在设置加固前后的内力响应、位移响应,研究了加固的必要性和合理性。结果表明:原双柱式桥墩在设置斜拉钢筋后,桥墩在多遇地震作用下处于弹性阶段,墩底内力减小;在罕遇地震作用下桥墩由破坏状态变为屈服状态,满足延性抗震的加固思路。     

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。     

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。     

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。     

铁路高墩大跨度连续刚构桥抗震设计分析

为保证在罕遇地震下桥梁结构满足规范要求,以主跨120m的高墩大跨连续刚构桥——云南万拉木特大桥为例,运用MIDAS Civil建立连续刚构桥空间有限元模型,对其进行动力特性及罕遇地震作用下的非线性时程分析,并优化延性抗震设计。分析结果表明:桥梁振型以梁墩的横向振动为主,第1阶横向侧弯的自振周期为1.697s,全桥最大振幅出现在桥墩墩顶位置。在罕遇地震(50年超越概率为2%)作用下,中跨墩顶、底受力较大,均已进入屈服,但其弯矩均小于钢筋极限弯矩,桥梁满足"大震不倒"抗震性能目标。对塑性铰区进行优化,将墩底以上3m空心与实体分界位置处截面外层部分主筋弯折,形成最不利塑性铰区域;加强墩顶、底塑性铰区域横向约束钢筋布置,提高墩柱延性。     

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。     

新建高速铁路上跨营业线装配式框架墩设计与施工关键技术

新建潍烟高速铁路龙口特大桥以装配式框架墩跨既有龙烟铁路。每个框架墩由2个混凝土墩柱和1个钢横梁组成,墩柱为矩形截面,采用C40混凝土,基础为矩形承台+钻孔桩基础;钢横梁为单箱单室箱形截面。墩柱与承台结合段设置钢锚板,在承台内预埋螺栓与钢锚板进行锚固;在墩柱顶部预埋连接钢板、螺栓,墩柱的主筋穿过钢横梁底板预留孔一定长度。墩柱预制前先焊接外包钢板、加劲肋、剪力钉并在制墩台座处完成安装,墩柱模板安装及钢筋绑扎验收合格后浇筑混凝土;按设计完成预埋件定位施工;采用650 t履带吊在天窗点内吊装预制墩柱,后浇C50补偿收缩混凝土实现墩柱与承台的连接;钢横梁在工厂整体加工,运至现场采用650 t履带吊在天窗点内吊装,后浇C50混凝土实现墩柱与钢横梁的连接。     

双柱墩抗震性能及墩顶位移影响因素分析

针对典型钢筋混凝土双柱墩,采用逐步增量动力分析方法对双柱墩进行地震响应分析,对比研究常规双柱墩在有无系梁、不同轴压比、墩高、配箍率条件下,墩顶横向位移的变化规律。获得了轻微破损极限状态、损伤控制极限状态、倒塌控制极限状态这3种性能界限下的墩顶位移和位移角数据。结果表明:与无系梁墩相比,有系梁双柱墩各性能状态极限位移略小,但其受力更为均衡,可承受的加速度峰值更大;随着轴压比的增加,双柱墩墩顶位移呈线性减小趋势;当墩高较小时(5 m),双柱墩为剪切破坏形式,极限位移较弯剪破坏的墩柱小,当墩高超过20 m时,墩高对位移角的影响较大;配箍率对双柱墩墩顶位移的影响很小。     

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。     

灌浆波纹管装配式桥墩双向拟静力试验

为了解决桥墩与承台的装配式连接问题,提出金属波纹管和超高性能灌浆料的预制拼装桥墩方案。首先考虑施工方式和加载方向参数的影响,以某地铁高架桥为工程原型设计4个试件,然后采用水平单向和双向拟静力试验方法,对比分析金属波纹管节段拼装桥墩和整体现浇桥墩抗震性能的差异,最后探讨双向压弯作用下的极限承载能力验算方法。试验结果表明：灌浆波纹管试件塑性铰区纵筋出现拉断而不是纵筋拔出,说明灌浆波纹管的钢筋连接方式可靠;灌浆波纹管连接节段拼装桥墩损伤过程、破坏模式与整体现浇桥墩总体上接近,主要抗震性能指标的差异较小,认为抗震性能与整体现浇试件的抗震性能接近,表明灌浆波纹管连接是一种可行的装配式桥墩与承台的连接方式;相对于单向加载试件,双向加载的钢筋混凝土试件RC,最大水平力下降11%,极限位移下降18%,双向加载的预制拼装试件最大水平力降低11%,极限水平位移降低15%,残余位移增大了20%,试件损伤程度更为严重,说明在水平双向荷载受力下,整体现浇试件和节段拼装试件有着明显的双向荷载耦合效应;双向压弯作用下截面的弯矩计算方法能够较准确地校核节段拼装墩的极限承载能力。研究成果可为节段拼装桥墩的抗震设计和抗震分析提供参考。