预制拼装桥墩抗震性能拟静力试验研究

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桥梁装配化施工技术正在逐渐成为目前桥梁工程的主要发展方向。预制拼装构件的主要优点有:施工进度快、施工质量高、对环境影响小等。目前为止,预制技术已大量使用在桥梁上部结构中,下部结构的应用在国外已经相当普及,但我国对预制桥梁下部结构的研究和技术积累还很少,更缺乏相关的理论研究储备,已有的采用预制技术的结构大多应用在非强震区,而我国西部乃至全国有较多强震地区,该技术还未在强震地区进行大规模的推广,这很大程度上阻碍了预制技术在我国的应用。限制节段拼装桥墩技术在强震区应用的主要障碍就是对其抗震性能的认识不全面,对不同接缝形式、灌浆料类型、配筋方式的节段拼装桥墩抗震性能,以及桥墩与台座接缝节点位置处的抗震性能研究不充分,是目前研究的重点难点。国外已有的试验研究对于干接缝和胶接缝连接的节段拼装墩柱的抗震性能比较丰富,我国目前开展节段拼装桥墩抗震行为的拟静力试验研究还很少,理论研究更是滞后于工程应用,迫切需要开展这方面的研究来对预制拼装桥墩的抗震设计提供指导。
  为了研究不同连接构造的预制拼装桥墩的破坏原理和耗能机理,为预制拼装桥墩的抗震设计提供理论依据。本文采用缩尺模型试验和数值及理论分析相结合的方法对不同连接构造的预制桥墩的抗震性能进行了分析,主要工作和研究成果如下:
  1、通过文献调研,对预制拼装桥墩的一般连接构造进行总结,说明在设计过程中的不同构造对桥墩抗震性能等各个方面因素的影响,并对国内外预制拼装桥墩的试验研究现状和理论研究现状进行了总结。
  2、以江西桥南村天桥为原型,采用1:5的缩尺比设计制作了4个不同桥墩试件,包括整体现浇桥墩、波纹管连接桥墩、榫头+波纹管连接桥墩和钢套筒连接桥墩;对其进行了拟静力试验,通过观察试验现象总结了各试件的破坏过程,结果发现:四种不同连接构造的桥墩破坏模式均是弯曲破坏,现浇墩的损伤区域较大,主要集中在距离墩身连接处30cm的范围内,最终塑性铰区域内混凝土压溃,纵筋屈曲导致破坏;三种预制桥墩损伤主要集中在接缝处和靠近接缝位置,最终由于接缝过大和混凝土压溃使得结构失去承载力。
  3、详细对比了不同试件的滞回曲线、延性变形、耗能能力和刚度等抗震指标。与整体现浇桥墩相比,三种预制桥墩尽管损伤状态有所不同,但从整体耗能,延性及刚度退化等方面看,与现浇桥墩有着相近的抗震性能。
  4、在相同级别的水平荷载作用下,采用榫头+波纹管的新型连接构造的桥墩在开裂、整体耗能、延性和强度刚度退化等抗震性能方面均稍好于另外两种预制墩,表明此种连接构造的预制桥墩有着更优越的抗震性能。
  5、采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,对比发现计算结果和实测数据吻合良好,说明本文采用的有限元建模方法能合理、有效地模拟桥墩的受力性能。基于有限元分析结果,探究了轴压比、纵筋配筋率和截面形状等参数对桥墩抗震性能的影响,发现轴压比越大,试件的峰值荷载越大,耗能越强,残余变形越小;纵筋配筋率越大,试件峰值荷载越大,耗能能力越强,残余变形越大;矩形截面桥墩的峰值荷载,耗能和延性均好于圆形截面的桥墩。
  6、通过解析法对预制桥墩在水平荷载和竖向力作用下的力-位移曲线和塑性铰区域截面弯矩-曲率关系进行理论推导分析,计算出本文桥墩试件的力-位移关系,并与拟静力试验结果进行对比,发现两者结果相近。最后,对试验数据进行拟合得到预制拼装桥墩接缝位置的抗剪承载力计算建议公式。
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