底部节段采用UHPFRC的预制拼装桥墩的拟静力试验与数值研究

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预制节段拼装桥墩具有对环境影响小、施工工期短、施工安全性好、施工质量易保证等优点,成为国内外桥梁工程界备受瞩目的研究热点。通过归纳分析迄今的节段拼装桥墩的抗震性能分析,发现主要的结构损伤集中于底部节段及其附近连接方式。鉴于此,本文主要从底部节段的新型材料使用和构件形式出发设计预制节段拼装桥墩,以达到提高墩柱的抗震性能。本文从预制构件的连接方式、增加耗能装置、构件组合形式和新型结构材料的应用几个方面对预制拼装桥墩的研究进行了总结介绍。为了提高传统完全节段拼装桥墩的承载能力,耗能能力等抗震性能,可以尝试在受力明显的底部节段采用超高性能混凝土纤维混凝土(UHPFRC)代替普通混凝土。基于此,本文对设计的四个预制节段拼装桥墩的试件进行了拟静力试验研究其抗震性能。随后,根据拟静力试验的试件建立三维实体单元有限元模型,并通过设计参数分析研究其对预制拼装桥墩的抗震性能的影响。主要研究工作如下:(1)通过考虑底部节段混凝土材料、底部节段空心或实心、底部构件组合形式等三个主要方面设计了四个预制拼装桥墩试件,并对各试件进行拟静力试验,探讨底部节段采用UHPFRC的预制拼装桥墩试件的损伤形态、滞回性能、耗能能力及接缝开合等抗震性能,并对比分析试验结果。(2)根据底部节段采用UHPFRC的预制拼装桥墩的四个墩柱试验模型,以及采用相同构件设计参数的模型和加载模式,采用ABAQUS建立三维实体精细单元数值分析模型,并对比分析了数值计算与试验结果,验证建模方法可用性。(3)基于建立的桥墩建模方法和模型,开展预制节段拼装桥墩的设计参数研究,选取初始预应力水平、底部节段空心率和底部节段高度比三个参数,建立了相应的桥墩数值分析模型,通过对数值计算结果的分析研究设计参数对预制拼装桥墩抗震性能的影响。主要研究结论如下:(1)底部采用UHPFRC节段可以明显减少底部节段的混凝土的损伤,有效控制结构损伤,一定程度上增加侧向承载能力和耗能能力等抗震性能;在保证底部抗剪切作用前提下,底部采用空心或实心UHPFRC节段都可以一定程度上增大桥墩的承载能力和耗能能力,工程考虑采用空心UHPFRC更具性价比;在底部采用外空心UHPFRC和与承台共同预制的普通混凝土内柱构件组合的形式,能有效提高墩柱的承载力、耗能和刚度等抗震性能,同时使损伤相对转移到上一节段柱脚处,保证关键部位的结构损伤。(2)通过混凝土损伤、侧向荷载和累计耗能,数值模型计算的结果与试验结果对比发现两者具有相似的变化规律且吻合良好,验证出此数值模拟方法和模型的可用性。(3)提高初始预应力水平可大幅提高底部使用UHPFRC的预制拼装桥墩的侧向荷载承载能力和耗能能力等抗震性能;在保证结构稳定性前提下,底部UHPFRC节段空心率的变化对桥墩抗震性能影响不太大,本文中底部空心率为0.5的桥墩具有相对较大的侧向荷载和耗能能力并较好控制损伤程度;底部节段高度比的增加会使得底部UHPFRC构件组合形式的桥墩底部逐渐形成类似于整体现浇桥墩的塑性铰区,内部普通混凝土柱承受较大的塑性变形,可有效提高桥墩的承载能力和耗能等抗震性能。
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