【摘 要】
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跨海大桥桥墩的施工环境较为恶劣,且桥墩受到的冲刷、腐蚀等病害日趋严重。大量的既有研究表明,超高性能混凝土具有很强的耐腐蚀、防冲刷能力,若将其作为保护层,则有望从根本上提高桥墩的耐久性。为此提出一种采用预制的外包超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,简称UHPC)的钢管(Steel Tube,简称ST)作为免拆模板,并内浇普通混凝土(Normal Concr
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跨海大桥桥墩的施工环境较为恶劣,且桥墩受到的冲刷、腐蚀等病害日趋严重。大量的既有研究表明,超高性能混凝土具有很强的耐腐蚀、防冲刷能力,若将其作为保护层,则有望从根本上提高桥墩的耐久性。为此提出一种采用预制的外包超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,简称UHPC)的钢管(Steel Tube,简称ST)作为免拆模板,并内浇普通混凝土(Normal Concrete,简称NC)的桥墩结构(简称为UHPC-ST-NC组合桥墩)。开展不同设计参数的UHPC-ST-NC组合桥墩的拟静力试验,并与整体现浇RC桥墩进行对比,结合有限元分析和理论研究,探讨这种新型组合桥墩的抗震性能与设计方法,本文主要工作内容及研究成果如下:(1)设计并制作一根整体现浇桥墩、三根UHPC-ST-NC组合桥墩(考虑UHPC材料和箍筋设计参数的变化)。对上述试件开展拟静力试验,结果表明:UHPC-ST-NC组合桥墩与整体现浇桥墩均为压弯破坏,但UHPC-ST-NC组合桥墩的塑性铰区域位置有所降低;UHPC-ST-NC组合桥墩的破坏程度相对于整体现浇桥墩有所减轻,在结构承载力降低为峰值荷载的85%时,UHPC-ST-NC组合桥墩不会出现类似整体现浇柱混凝土脱落现象,但会出现UHPC层外凸现象。(2)UHPC-ST-NC组合桥墩的水平极限承载力、峰值位移、残余位移、耗能能力、刚度退化均优于与其含钢率相同的整体现浇桥墩;UHPC-ST-NC组合桥墩在添加构造箍筋后,与整体现浇桥墩相比水平承载力提高80.53%,峰值位移提高67.97%,极限位移提高25.72%,残余位移降低9.09%,耗能能力提高94.96%;UHPC-ST-NC组合桥墩提高外层UHPC强度后也可略微增加其水平承载力,但影响较小。(3)利用ABAQUS可有效模拟UHPC-ST-NC组合桥墩的拟静力试验过程及结果。对于加入构造箍筋的UHPC-ST-NC组合桥墩进行参数拓展分析,结果表明:对于峰值荷载来说,UHPC径厚比、钢管径厚比、UHPC强度、钢管强度与其成正比,长细比与其成反比;对于极限位移来说,长细比、钢管强度与其成正比,轴压比与其成反比;UHPC建议径厚比(UHPC厚度与截面半径之比)为0.2-0.3;若无特定的强度要求,钢管建议径厚比(钢管厚度与截面半径之比)为0.01-0.015;UHPC建议抗压强度为120MPa-140MPa,普通混凝土建议抗压强度为30MPa。(4)根据UHPC-ST-NC组合桥墩骨架曲线上升段与下降段刚度相比于整体现浇桥墩较大的特点,采用理想三折线模型来拟合UHPC-ST-NC组合桥墩的骨架曲线,并根据钢管叠合柱滞回模型计算思路进行理论推算,得到了骨架曲线特征值计算公式,将其与有限元计算结果进行对比,并描述了UHPC-ST-NC组合桥墩的滞回规则。结果表明:骨架曲线特征值计算公式得出的结果与有限元模型计算结果相比除峰值位移外误差均在15%以内;本文建议恢复力模型也与试验柱滞回曲线拟合良好。
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