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。     

混合接头装配式方钢管约束混凝土桥墩抗震性能研究

为了解混合接头(灌浆套筒和钢管剪力键相结合)及方钢管约束对装配式方形截面混凝土桥墩抗震性能的影响，分别制作混合接头连接+方钢管约束、灌浆套筒连接+方钢管约束、灌浆套筒连接+无约束的装配式方形截面混凝土桥墩试件各1根开展拟静力试验及有限元计算，分析各桥墩试件的破坏模式、结构延性、耗能能力、强度退化、刚度退化、残余位移等抗震性能及影响参数。结果表明：装配式方钢管约束混凝土桥墩试件的破坏形态基本相同，均为压弯破坏。与无约束的装配式混凝土桥墩试件相比，装配式方钢管约束混凝土桥墩试件的水平荷载峰值和位移延性系数更高；与灌浆套筒连接的装配式方钢管约束混凝土桥墩试件相比，采用混合接头连接的装配式方钢管约束混凝土桥墩试件滞回曲线更饱满、无明显捏缩，抗震性能更好。对于混合接头装配式方钢管约束混凝土桥墩，增大轴压比和降低长细比可提高桥墩的承载力，但降低了延性；增大约束系数可提高桥墩的承载力和延性，建议混合接头装配式方钢管约束混凝土桥墩的轴压比≤0.3,长细比≤12,约束系数取0.58～0.90。     

山区高速公路双层高架桥双层框架式桥墩拟静力试验分析

山区公路双层高架桥通常属于典型的非规则桥梁.山区双层高架桥桥墩高,高阶振型对结构的地震响应及位移延性能力有显著的影响;桥墩在遭受横向地震作用时,受力非常复杂,结构潜在的塑性铰区域可能多达8个,因此其设计超出了现有国内外抗震设计规范的应用范围.基于以上背景,本研究针对洛塘河双层高架特大桥进行了缩尺模型的拟静力试验,针对低周反复荷载作用下双层高架桥的破坏形态、特征荷载、位移延性、刚度退化、耗能能力等性能,进行了深入分析和讨论;并针对双层高架桥在设计中横梁、墩柱的设计提出了优化方案.     

装配式桥墩模型设计方法及相似性研究

为使装配式桥墩模型能准确反映原型结构的力学性能,对装配式桥墩按等配筋率的设计方法进行模型相似性设计。试验采用UHPC灌浆波纹管连接预制拼装墩柱模型进行拟静力往复加载试验,研究其柱脚塑性铰区的破坏机理,并对其破坏形态、极限承载力及位移延性与原型结构进行对比。研究表明,等配筋率模型设计方法在装配式桥梁模型设计中简单可行,试验结果与实际原型结构基本吻合。     

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。     

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。     

装配式桥墩抗震性能分析

基于抗震性能及施工的需求，提出了一种新型装配式桥梁连接方法，在连接端头预埋圆形型钢，通过焊接连接，对比灌浆套筒、金属波纹管的其他构造，该连接方法施工方便，操作容易，施工速度更加快速。通过对型钢连接方式的试验研究，主要得出以下结论：（1）型钢连接的装配式桥墩与现浇桥墩破坏均为弯曲破坏。型钢连接的装配式桥墩柱根处破坏程度较轻，混凝土破坏主要集中在预埋钢管顶部以上。（2）型钢连接的装配式桥墩承载能力高于现浇桥墩。（3）型钢连接的装配式桥墩与现浇桥墩的残余位移相当，但在耗能能力及延性方面前者的表型更好。（4）型钢连接的装配式桥墩具有优越的抗震性能，为装配式桥墩在高烈度地震区的使用提供一种方法。     

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。     

波纹钢管约束承插式拼装桥墩抗震性能研究

承插式预制拼装桥墩是将预制混凝土墩柱插入承台预留的凹槽内，在间隙中填充混凝土或灌浆料连接形成的装配式结构，承台预留槽内设置波纹钢管以增强对桥墩根部的横向约束。开展承插式拼装桥墩和现浇桥墩2组试件的拟静力荷载试验，研究了承插式拼装桥墩的抗震性能以及波纹钢管的横向约束效应，并通过相关影响参数的模拟分析，探讨了承插深度、灌浆料强度和连接界面处理方式对承插式桥墩抗震性能的影响规律，为其抗震设计提供依据。研究结果表明：波纹钢管约束承插式桥墩柱脚形成的塑性铰区域及破坏形态与现浇桥墩基本一致，承载能力没有明显差异，但破坏时极限位移提高约20%,结构延性和耗能能力有所提高，波纹钢管约束承插式拼装桥墩具有良好的整体性和抗震性能；随着承插深度的增加，承插式桥墩的抗震性能随之提高，当承插深度超过0.6D(D为墩身直径)时，其抗震性能提升趋于缓和；当灌浆料强度达到桥墩主体混凝土强度后，继续增加强度对桥墩抗震性能影响不大；相对光滑界面连接，波纹键齿和梯形键齿连接的承插式桥墩承载能力分别提高约30%和26%,累积耗能分别提高20%和15%,波纹键齿连接的效果最优。     

双向压弯状态下矩形空心桥墩循环试验

为了研究水平双向地震作用下矩形空心桥墩的抗震性能,对约束良好但轴压比和纵向、横向配筋率不同的5个钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩在轴力和双向弯曲作用下的性能进行了循环试验研究.结果表明:试件破坏形态为桥墩底部形成塑性铰的弯曲形破坏,桥墩双向力-位移滞回曲线显示了双向压弯状态下RC矩形空心桥墩刚度和强度退化、捏拢效应以及2个水平方向抗震性能的相互影响;试件桥墩的延性系数在3.5～5.7之间,等效粘滞阻尼系数在0.19～0.26之间,延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求;所给出的横向配筋构型的RC矩形空心桥墩在水平双向地震作用下具有良好的抗震性能,可以取代中国规范JTG/T B02-01-2008中建议的矩形空心截面横向配筋构型;桥墩塑性铰区域高度约为桥墩高度的1/6,远小于规范规定的塑性铰长度的最小值,空心截面桥墩塑性铰发展区域更为集中.     

钢筋混凝土墩柱加固滞回耗能试验

针对钢筋混凝土墩柱因延性不足而常在地震灾害中遭到破坏的现象,分别采用玻璃纤维、芳纶纤维和环向箍筋3种不同材料对模型墩柱进行加固,通过拟静力试验,分析滞回耗能,从而研究其抗震延性,得出：3种不同材料的加固方法对墩柱抗震性能有不同程度的改善,其中芳纶纤维加固的墩柱平均耗能系数最大、抗震性能最好。     

承插式连接预制拼装桥墩抗震性能试验研究

为研究不同连接构造、轴压比和承插深度对承插式连接预制拼装桥墩(简称“承插式桥墩”)抗震性能的影响,制作1组现浇桥墩试件和3组承插式桥墩试件开展拟静力试验。对比试件破坏模式、滞回曲线、骨架曲线及特征值、耗能能力、刚度特性和残余位移、纵筋应变,分析承插式桥墩与现浇桥墩抗震性能差异以及增设钢榫进行结构优化后桥墩抗震性能改善效果。结果表明：承插式桥墩与现浇桥墩试件破坏模式、损伤范围、承载能力、耗能能力、残余位移和钢筋应变沿梁高分布相近;提高承插式桥墩轴压比,能提高桥墩承载能力,降低延性和累积耗能能力,破坏时残余位移远小于其它构件,具有可靠的自复位能力;提高承插深度,会增大桥墩承载能力和耗能能力;墩底增设钢榫能增强承插式桥墩与承台间的连接,承载能力、延性、耗能能力等与承插式和现浇桥墩保持一致,但各加载位移下的累积耗能较高,有助于提高承插式桥墩的耗能能力,具有良好的抗震性能。     

空心矩形薄壁墩延性抗震性能试验

为了深入研究矩形截面且空心薄壁桥墩的延性抗震性能,对4个模型墩在恒定的轴压和循环反复水平荷载作用下进行了拟静力试验。探讨了薄壁墩在压、弯、剪共同作用下的破坏形态、位移延性和耗能能力,考虑轴压比、配箍率2个参数对结构极限承载力和延性性能的影响。试验结果表明:模型墩的破坏形式为弯曲破坏,位移延性系数介于3.61~5.56之间;配箍率是影响桥墩延性抗震性能的主要因素,随其值的增加位移延性系数增大,箍筋能显著提高试件的延性和耗能能力;随着轴压比的提高,试件的承载力有所降低,后期变形能力减小,抗震性能越来越差;建立了具有8个控制点的恢复力模型,并给出了各控制点的计算公式。     

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。     

波纹管连接装配式桥墩抗震性能拟静力试验与数值模拟（双语出版）

为研究采用灌浆波纹管连接的装配式桥墩与整体现浇桥墩在抗震性能方面的差异,探究地震作用下预制拼装双柱桥墩的力学性能,分析节点的破坏机理,通过拟静力试验获得了灌浆波纹管连接预制拼装装配式桥墩与整体现浇桥墩的位移滞回曲线,并通过对试件进行位移延性分析、耗能能力分析及残余位移分析,对比研究灌浆波纹管连接装配式桥墩与现浇桥墩的抗震性能。研究结果表明：①灌浆波纹管试件与整体现浇试件的试验现象基本一致,装配式试件较整体现浇试件最大承载力降低6.7%;②二者屈服荷载与极限荷载误差均不超过10%,二者屈服位移相同但装配式试件较现浇试件的极限位移降低3%,灌浆波纹管试件的延性系数小于整体现浇试件;③两试件最大残余位移均在55 mm左右,但在相同滞回位移下,灌浆波纹管试件残余位移的产生速率大于现浇试件;④通过积分法对二者耗能能力进行比较,当滞回位移达到80 mm时二者耗能差值最大,为10.87 kN·m,达到最大位移时灌浆波纹管试件比现浇试件总的耗能能力小10%左右。可见在同样的设计参数情况下,保证装配式桥墩拼装接头的强度可靠性,基本能够达到现浇桥墩所要求的各项性能。     

波纹管连接装配式桥墩抗震性能拟静力试验与数值模拟

为研究采用灌浆波纹管连接的装配式桥墩与整体现浇桥墩在抗震性能方面的差异,探究地震作用下预制拼装双柱桥墩的力学性能,分析节点的破坏机理,通过拟静力试验获得了灌浆波纹管连接预制拼装装配式桥墩与整体现浇桥墩的位移滞回曲线,并通过对试件进行位移延性分析、耗能能力分析及残余位移分析,对比研究灌浆波纹管连接装配式桥墩与现浇桥墩的抗震性能。研究结果表明:①灌浆波纹管试件与整体现浇试件的试验现象基本一致,装配式试件较整体现浇试件最大承载力降低6.7%;②二者屈服荷载与极限荷载误差均不超过10%,二者屈服位移相同但装配式试件较现浇试件的极限位移降低3%,灌浆波纹管试件的延性系数小于整体现浇试件;③两试件最大残余位移均在55 mm左右,但在相同滞回位移下,灌浆波纹管试件残余位移的产生速率大于现浇试件;④通过积分法对二者耗能能力进行比较,当滞回位移达到80 mm时二者耗能差值最大,为10.87 kN·m,达到最大位移时灌浆波纹管试件比现浇试件总的耗能能力小10%左右。可见在同样的设计参数情况下,保证装配式桥墩拼装接头的强度可靠性,基本能够达到现浇桥墩所要求的各项性能。     

地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性铰区抗剪强度试验

针对地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性铰区剪切破坏模式,研究了抗剪强度计算问题。进行了12根钢筋混凝土短柱桥墩拟静力试验,在试验基础上比较了各国主要桥梁抗震设计规范中的桥墩抗剪强度计算公式。辅以太平洋地震工程研究中心(PEER)钢筋混凝土柱拟静力试验数据库,对地震作用下塑性铰区混凝土抗剪强度影响因素进行了统计分析,最后参考相关规范及研究成果提出了桥墩塑性铰区抗剪强度计算公式。结果表明:满足中国现行桥梁抗震设计规范最低配箍要求的钢筋混凝土短柱桥墩仍有很大可能发生塑性铰区的剪切破坏,宜引起足够重视。     

基于变形能力的钢筋混凝土桥墩约束箍筋用量评价

针对地震作用下钢筋混凝土桥墩的变形能力要求,研究桥墩潜在塑性铰区约束箍筋的用量问题。借助美国PEER柱抗震性能试验数据库,整理了35根弯剪破坏墩柱的拟静力试验数据,通过统计分析评价我国桥梁抗震设计原《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004-89)和现行《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)中最低约束箍筋用量对保证桥墩变形能力的可靠性,并与美国、欧洲主要桥梁抗震设计规范进行对比,之后建立了具有85%保证率的弯剪破坏桥墩极限位移角计算公式。研究结果表明:以2%桥墩极限位移角为评价目标,现行《公路桥梁抗震设计细则》满足桥墩变形能力要求;而以3%桥墩极限位移角为评价目标,该规范配箍要求略偏于不安全,在高地震危险区桥墩抗震设计时应予以注意。     

钢筋混凝土桥墩塑性铰区约束箍筋用量研究

为了研究钢筋混凝土桥墩的延性配箍要求,总结了中、美、欧主要桥梁抗震设计规范对延性桥墩塑性铰区最低约束箍筋用量的规定,结合美国PEER柱抗震性能试验数据库、日本Kawashima实验室和部分中国的试验数据,整理了234根桥墩的拟静力试验数据;建立了桥墩极限位移角与位移延性系数、曲率延性系数的对应关系,讨论了中、美、欧主要桥梁抗震设计规范约束箍筋用量及构造措施对保证桥墩延性的可靠性;在此基础上分别以2%和3%极限位移角为延性目标,通过回归分析建立了具有85%保证率的桥墩塑性铰区约束箍筋用量计算公式;通过一个设计实例将建议公式与各国规范进行了对比。结果表明:该公式适用于剪跨比在3～10范围内的普通及高强混凝土桥墩,既可保证高轴压下桥墩延性抗震能力,又可保证低轴压下配箍要求不过于保守。     

基于能力需求比法的矮墩大跨度PC连续梁桥延性和减隔震设计评价

针对墩身刚度差异明显的大跨度连续梁桥合理抗震体系选择的问题,以一座跨径布置为(90+150+90)m的矮墩变截面PC连续梁桥为工程背景进行分析.对比分析了在E2地震下采用延性抗震体系和利用摩擦摆支座的减隔震体系下桥梁关键构件的地震响应,然后运用能力需求比法对两种抗震设计下桥梁安全状态进行评价.结果 表明:采用延性抗震体系,制动墩承担较大地震力,桥墩虽保持弹性,但桩基和支座破坏,桥梁处于危险状态;利用摩擦摆减隔震支座进行减隔震设计,各墩地震水平力分担均匀且地震水平力有效减小,墩柱处于弹性状态,桩基和支座完好,桥梁处于安全状态.对于墩身高度矮,墩身刚度差异显著的大跨度PC连续梁桥,设置摩擦摆减隔震支座,可以改善结构抗震性能,满足桥梁在地震作用下的性能目标.