發(fā)布時間：2020-05-12 09:24

【摘要】：預應力預制拼裝橋墩具有快速施工優(yōu)勢,可以為新材料、新技術(shù)的引入與推廣提供實踐平臺,但因抗震性能不明確及抗震設計方法不完善、針對自復位特性的研究不足、耗能能力需要專門設計、預應力損失對腳趾壓碎敏感等原因,制約了其在中高烈度區(qū)橋梁中的應用。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)具有高強度、高延性、高耐久性的材料特點,用于土木工程,可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在嚴酷條件下的高可靠性、多災變作用下的高工恢復性能、長期使用的高耐久性、全壽命周期內(nèi)的高環(huán)保性,用于制作預制拼裝橋墩,一方面,可以直接利用材料本身優(yōu)異的力學特性降低橋墩腳趾處在地震中的損傷以及提高耗能能力;另一方面,可以將韌性抗震理念融入預制拼裝橋墩中進行結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新,通過合理的構(gòu)造措施實現(xiàn)震后橋墩功能的快速恢復。因此,本文以預制拼裝UHPC空心墩作為研究對象,通過試驗、有限元和理論研究等手段研究其抗震性能特別是自復位能力;基于試驗、有限元及理論研究結(jié)果,建立設計參數(shù)與抗震性能目標之間的關(guān)系,并基于預期性能目標,在設計過程中確定出合理的設計參數(shù)取值,實現(xiàn)性能化抗震設計。具體研究內(nèi)容和成果如下:(1)自復位預制拼裝UHPC空心橋墩大比例尺擬靜力試驗研究利用UHPC制作預制拼裝空心墩,節(jié)段之間采用無粘結(jié)后張預應力筋拼裝成整體,利用底接縫設置有無粘結(jié)段的耗能鋼筋增加耗能能力,研究參數(shù)包括后張預應力大小及耗能鋼筋用量。提出一種新型的震損可恢復功能預制UHPC空心墩結(jié)構(gòu)形式,通過試驗檢驗可更換UHPC板與橋墩底節(jié)段之間的連接以及可更換耗能鋼棒與螺紋接頭之間的連接是否能實現(xiàn)預期功能,研究參數(shù)包括后張預應力大小及可更換耗能鋼棒用量;通過對修復后橋墩的重新加載,研究修復后橋墩的抗震性能。(2)基于等效塑性鉸模型的預制拼裝UHPC空心墩抗震變形能力研究通過理論推導建立耗能鋼筋和后張預應力筋的等效材料本構(gòu)關(guān)系,建立滿足平截面假定的纖維截面模型進行截面分析,然后基于等效塑性鉸模型,計算出預制拼裝UHPC空心墩的水平力-位移曲線,并與試驗結(jié)果進行比較。利用建議模型進行參數(shù)分析,研究設計參數(shù)對預制拼裝UHPC空心墩抗震變形能力的影響�；趨�(shù)分析結(jié)果,通過回歸分析得到了關(guān)于有效剛度的簡化計算公式。(3)基于纖維單元的預制拼裝UHPC空心墩耗能與自復位能力研究基于OpenSees計算平臺,利用耗能鋼筋和無粘結(jié)后張預應力筋等效應力-應變關(guān)系,建立滿足平截面假定的等效纖維截面用于模擬底接縫,利用等效塑性鉸長度考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移,并在有效剛度的計算中計入剪切變形的影響。利用擬靜力試驗結(jié)果對有限元模型進行驗證�；谟邢拊Ｐ�,研究設計參數(shù)對預制拼裝UHPC空心墩耗能與自復位能力的影響。(4)預制拼裝UHPC空心墩自復位能力設計準則首先通過機理分析,確定出殘余位移與水平位移最大值和自復位系數(shù)兩個影響因素的定性關(guān)系,然后基于擬靜力結(jié)果,得到殘余位移角關(guān)于自復位系數(shù)和水平位移角最大值的定量計算公式,并利用非線性動力時程分析結(jié)果,驗證了殘余位移角定量計算公式在控制地震動激勵下殘余位移角的有效性,最后利用殘余位移角的定量計算公式,得到了預制拼裝UHPC空心墩在不同抗震設防水準下自復位系數(shù)的限值,用于指導自復位能力設計。(5)基于理想旗幟型模型的預制拼裝UHPC空心墩滯回性能研究通過理論分析和參數(shù)討論,建立了理想旗幟型模型關(guān)鍵參數(shù)與水平力-位移骨架曲線中屈服點和峰值點之間的聯(lián)系,通過建立關(guān)于屈服點和峰值點的解析計算方法,得到理想旗幟型模型關(guān)鍵參數(shù)。利用擬靜力試驗結(jié)果,對關(guān)鍵參數(shù)的解析方法進行試驗驗證。分別基于有限元模型和由解析方法確定出關(guān)鍵參數(shù)的理想旗幟型模型進行動力時程分析,比較得到的水平位移最大值和累積耗散能量最大值兩個指標,評價由解析方法確定出關(guān)鍵參數(shù)的理想旗幟型模型在對預制拼裝UHPC空心墩進行動力時程分析時的適用性。(6)基于性能的預制拼裝UHPC空心墩后張預應力可行域研究首先介紹基于“殘余位移可控”、“接縫抗剪需求”和“大震不倒”三個方面的性能需求確定出后張預應力上下限取值的基本思路,然后基于極限狀態(tài)解析計算結(jié)果,建立后張預應力上下限的解析計算方法,確定出后張預應力的可行域�；诤髲堫A應力上下限的解析計算方法,研究設計參數(shù)對后張預應力可行域的影響。通過討論極限狀態(tài)對應的底接縫處截面受壓區(qū)高度的取值對后張預應力可行域的影響,給出了后張預應力可行域的無迭代簡化計算方法。(7)考慮變形與自復位能力的預制拼裝UHPC空心墩地震易損性研究從實際工程中選擇出現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩,通過5個等效原則設計出預制拼裝UHPC空心墩。根據(jù)既有研究建議方法,分別確定出基于位移延性系數(shù)和殘余位移角的損傷狀態(tài)量化標準。據(jù)此量化標準處理現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩和預制拼裝UHPC空心墩在遠場、近場無脈沖和近場脈沖三種不同類型地震動下的增量動力分析結(jié)果,建立不同類型地震動下兩種結(jié)構(gòu)形式橋墩的概率地震需求模型,得到相應的易損性曲線,完成對現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩和預制拼裝UHPC空心墩抗震性能的評估。
【圖文】：

（a）美國弗羅里達州 Edison 公路橋（1992 年）[1-12]（b）美國愛荷華州 Keg Greek 高速公路橋（2011 年）[1-13]（c）上海市嘉閔高架橋北段二期（2015 年）圖 1-3 采用套筒灌漿連接“等同現(xiàn)澆”預制橋墩的典型工程應用波紋管灌漿連接技術(shù)多用于預制蓋梁與預制橋墩之間的連接，在預制橋墩節(jié)段之間的連接也有所使用，具有施工速度快、現(xiàn)場濕作業(yè)量相對較少、施工精度要求不高、連接性能可靠等優(yōu)點，一般不直接用于鋼筋連接，而是將一根預制橋墩的伸出縱筋錨固在蓋梁或承臺內(nèi)。由于波紋管能夠提供約束效果，采用波紋管灌漿連接技術(shù)的鋼筋所需錨固長度要小于同等條件下的現(xiàn)澆構(gòu)件，但這仍是控制連接節(jié)段尺寸的主要因素，同時預埋波紋管的存在也加劇了節(jié)點處鋼筋的擁堵。如圖 1-4 給出了采用波紋管灌漿連接“等同現(xiàn)澆”預制橋墩的工程應用。目前關(guān)于波紋管灌漿連接性能的試驗研究較多[1-14] [1-15] [1-16] [1-17] [1-18] [1-19]，研究使用這一連接方式預制橋墩抗震性能的研究還相對較少：美國工程師 Pang 等[1-20]以美國華盛頓州預制橋墩為背景，開展了包括四個預制蓋梁-橋墩連接節(jié)點的擬靜力試驗，重點研究采用大直徑鋼筋-波紋管灌漿連接技術(shù)對預制蓋梁-橋墩連接節(jié)點抗震性能的影響。加利福尼亞州立大學 Matsumoto[1-21]開展了 42%縮尺試驗模型，鋼筋采用波紋管灌漿連接，并設置 2.5 英寸厚且配有箍筋的灌漿墊層，試驗結(jié)果證明該預制蓋梁-橋墩連接節(jié)點與同參數(shù)的現(xiàn)澆試件相比具有相似的抗震性能。如圖 1-5 所示，新西蘭坎特伯雷大學 Mashal 等[1-22]將波紋管灌漿連接用

相比具有相似的抗震性能。如圖 1-5 所示，新西蘭坎特伯雷大學 Mashal 等[1-22]將波紋管灌漿連接用于預制橋墩與承臺以及預制橋墩節(jié)段之間的連接，在預制構(gòu)件連接界面中心處設置剪力鍵，這一連接形式的矩形截面橋墩進行了擬靜力試驗。北京工業(yè)大學宋年華[1-23]開展了預制蓋梁-橋墩連接節(jié)點擬靜力試驗，證實基于高強砂漿-金屬波紋管灌漿連接的預制承臺-橋墩連接的抗震能力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一致，波紋管灌漿連接安全可靠；同濟大學王志強等[1-24]將波紋管灌漿連接用于預制橋墩-承臺的連接，開展的擬靜力試驗證實該試件的位移延性系數(shù)可以達到 6.0 左右，耗能能力與現(xiàn)澆試件相似，同時對橋墩-承臺采用套筒灌漿連接、橋墩-蓋梁采用波紋管灌漿連接的雙柱進行了擬靜力試驗研究，得到了與現(xiàn)澆橋墩相似的滯回曲線[1-11]。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U442.55

【參考文獻】

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本文編號：2660000