矩形空心桥墩抗震性能研究

为研究水平地震作用下矩形空心桥墩的抗震性能,对2个不同轴压比的桥墩进行了恒定竖向荷载下拟静力试验,同时还研究了试件刚度退化、承载能力、耗能能力和延性系数等抗震性能指标,并基于ABAQUS有限元软件对试验得出的抗震性能规律进行了验证。研究结果表明:该试验破坏模式为底部塑性铰区域的弯曲破坏;ABAQUS模拟结果与试验值有良好的吻合程度,对试验值有较好的验证与补充效果;较大的轴压比形成了更强的约束,限制了桥墩混凝土裂缝的开展,提高了桥墩的承载力和刚度;轴压比大的试件耗能能力和延性系数低。

深水矩形空心桥墩在地震作用下附加动水压力分析

基于辐射波浪理论建立了矩形空心桥墩流体控制方程,以自由表面波动条件、水底水质点运动边界条件、结构与水的速度连续条件为边界条件,采用分离变量法推导了矩形空心桥墩内、外域水体速度势一般解,进而导出了矩形空心墩内、外域水体的附加动水压力的解析式,对某桥墩自振特性的计算表明,该附加动水压力解析式具有较高的计算精度。

东海大桥预应力混凝土桥墩抗震性能分析

建立了可以在循环荷载作用下考虑有、无粘结预应力筋影响的纤维模型分析方法并进行了验证.采用该方法建立了东海大桥引桥桥墩的分析模型.发现东海大桥引桥桥墩中采用的有粘结预应力筋对初始侧向抗弯刚度有影响,对侧向承载能力几乎没有影响,并且该种类型桥墩残余位移较大.为了改善桥墩震后残余位移,针对桥墩特点比较了几种预应力筋布置方式,证明在箱形墩的截面中心布置无粘结预应力钢铰线既可以满足正常使用阶段性能,又能提高桥墩的抗震性能.但是预应力的施加水平、预应力筋含量等关键参数的取值,需要进一步研究确定.

动水力作用时矩形空心墩刚构桥地震响应分析

建立红河大桥的三维有限元模型,采用Morison方程法将水对桥墩的影响转化为附加质量的形式考虑。对比了2种工况下桥梁的自振特性,并结合《公路桥梁抗震设计细则》中的有关规定,进行该桥的反应谱分析以及时程反应分析。分析与讨论了不同地震动输入条件下,动水力对该桥墩地震动响应的影响程度。结果表明水的存在会改变结构动力特性和地震动响应。因此在进行抗震设计时考虑动水压力的作用是非常必要的。

FRP约束RC矩形空心截面桥墩抗震性能

为了研究纤维增强复合材料(FRP)约束不同长细比中空截面墩柱的抗震性能,设计并制作了长细比分别为4和8的RC矩形中空截面墩柱,进行了单向水平低周反复荷载作用下的拟静力试验,分析了不同FRP约束墩柱的破坏特征、抗震性能和二次弯矩效应.研究结果表明:FRP约束对长细比较大墩柱的极限变形提高约16%,而墩柱最大承载力和极限承载力仅提高约5%,且减轻了短墩柱的捏缩效应和中长柱的二次弯矩效应;此外,对比分析了不同种类FRP约束不同长细比矩形空心墩柱的墩顶水平位移-力、塑性铰区截面的转动变形-弯矩的模拟值和试验值,其变化规律与试验结果吻合较好.

地震下矩形空心桥墩内部动水力分析

针对地震下矩形空心桥墩内部的动水力,提出了一个近似半解析半数值方法。对于弹性桥墩结构,基于线性辐射波浪理论利用特征函数扩展法分别构造了桥墩内部二维流体的弹性振动速度势和刚性运动速度势,进而得到了相应的内部动水力,最后采用梁单元有限元方法求解耦联运动方程。与解析方法和纯数值方法相比,这一方法计算相对简单、有效。算例表明,该方法计算具有较高精度;并能为实际的工程计算节省大量的时间。

矩形空心墩地震动水效应的求解

针对地震下弹性矩形空心桥墩上的动水力,提出了一个近似半解析半数值方法。基于线性辐射波浪理论利用特征函数扩展法分别得到了空心墩内部和外部水体作用于桥墩有限节点上的动水力表达。于是,得到由梁单元有限元方法形成的矩形空心墩桥梁结构与水耦合振动的运动方程。与纯数值方法相比,这一方法计算相对简单、有效,可求解结构整体响应。算例表明,该方法计算具有较高精度。

矩形空心墩变形能力及塑性铰区约束箍筋用量

为研究空心截面桥墩的变形能力和塑性铰区约束箍筋用量,整理了71个矩形空心墩的抗震拟静力试验数据,总结了不同破坏形态下空心墩的变形能力和现有规范对保证空心墩延性抗震能力的可靠性,基于多元线性回归分析和相关分析讨论了影响空心墩变形能力的主要因素,基于Caltrans规范给出了矩形空心墩塑性铰区约束箍筋用量计算公式。研究发现:Caltrans规范和ACI规范对保证矩形空心墩的弯曲破坏形态和延性变形能力具有较高的可靠性,中国JTG/T B02-01—2008规范偏于不安全。矩形空心墩变形能力主要与塑性铰区配箍、纵筋配筋、壁厚和轴压比等因素有关,随箍筋、纵筋配筋和壁厚增加而增加,随轴压比增加而减少。

铁路矩形空心桥墩延性抗震设计简化计算方法

介绍了铁路工程抗震规范提供的钢筋混凝土桥墩延性设计简化计算方法;同时对大偏压矩形截面构件的曲率延性系数简化计算公式进行了理论推导,并结合各国规范的塑性铰等效长度计算公式,得到构件的位移延性计算公式。以大瑞线某桥为工程实例,分别采用规范提供的方法及理论推导的公式进行计算,2种方法计算得到该桥矩形空心桥墩的位移延性系数基本一致,能为今后同类桥梁设计提供一定的借鉴。

FRP布约束RC矩形空心桥墩抗震性能试验研究

为研究纤维增强复合材料(FRP)布约束钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩抗震性能,进行六个高宽比为4的矩形空心桥墩拟静力试验研究,分析FRP布约束矩形空心桥墩破坏形态、位移延性、耗能、最大水平承载力等抗震性能参数。试验结果表明:在轴压比0.2低轴压荷载作用下,采用FRP布加固可明显提高矩形空心桥墩的延性及耗能,位移延性系数及累计耗能分别提高65.4%,25.8%,但对最大承载力影响较小,仅提高3.0%。基于Clough退化双线性滞回模型,结合试验结果,建立考虑强度、刚度退化等FRP布约束RC矩形空心桥墩的简单滞回模型,给出其卸载刚度与再加载刚度的回归公式。

宏基大桥深水高墩大跨连续刚构桥地震响应分析

已有研究表明[1],深水高桥墩在地震作用下,由于桥墩与水的相对运动,水会对桥墩水下部分产生动水压力.以深水库区主跨为220 m,墩高为173 m的宏基大桥为例,利用Morison方程所得的圆形墩附加质量公式的矩形修正公式模拟水对桥墩的作用,建立了该桥考虑附加质量影响的变截面三维有限元模型,进行该桥的反应谱和时程反应分析.结果表明由于动水压力的作用,不仅使桥梁结构的自振频率明显降低,而且使梁体和桥墩的位移和内力显著增大.本文研究方法与所得结论可为同类桥梁的抗震设计提供参考.

考虑流固耦合作用的桥梁深水矩形空心高墩振动特性分析

以一典型深水矩形空心高墩为例,采用完全数值法,基于势流理论建立了桥墩-水流固耦合数值分析模型,分析了墩身仅外有水、仅内有水,以及内、外均有水等3种情况下桥墩振动特性的变化规律.结果表明,墩-水耦合作用使得桥墩各阶振型周期有所增大,且墩身内、外均有水时增幅最大;当水深小于墩高一半时,桥墩低阶振型周期变化很小,但高阶振型周期变化较大;上部结构质量虽然会减弱流固耦合作用对桥墩低阶振型的影响,但会增大对桥墩高阶振型的影响.由于高阶振型对高墩底部剪力响应贡献较大,因此,水深不大时应当重视桥墩高阶振型周期的变化.

基于振动台试验的桥墩复合损伤指标研究

为更准确描述钢筋混凝土矩形空心桥墩的损伤情况,提出一种综合考虑位移和能量的复合损伤指标。基于9个空心桥墩试件的振动台试验结果,分别计算出各试件的位移损伤指标、弹塑性耗能差率损伤指标以及复合损伤指标,通过对三种损伤指标结果对比以及多地震波作用下结果的统计分析,验证了复合损伤指标的适用性;进一步应用复合损伤指标考察了桥墩配箍率、轴压比、配筋率三种参数的变化对空心桥墩损伤性能的影响。研究结果表明:复合损伤指标值介于位移和弹塑性耗能差率损伤指标值之间,且与单一损伤指标相比,复合损伤指标的离散程度较小;应用复合损伤指标对空心桥墩的损伤进行参数分析可知,当轴压比、配筋率一定时,桥墩的损伤程度随配箍率的增大而降低;当配箍率、配筋率一定时,损伤程度随轴压比的增大而提高;当轴压比、配箍率一定时,损伤程度随配筋率的增大而降低。由此说明,复合损伤指标能够反映参数变化对桥墩损伤性能的影响,具有良好的适用性。

矩形截面混凝土空心墩塑性铰长度分析

在延性抗震设计中,等效塑性铰长度直接影响到桥墩位移能力的估算,其计算的准确性对于桥墩抗震性能的评估至关重要。现有规范中等效塑性铰长度公式大多是由实心墩试验得到的,鉴于空心墩与实心墩的性能差异,这些公式对空心墩的适用性尚有待深入研究。通过7个不同设计参数的矩形截面空心墩拟静力试验,观测并分析不同构件塑性铰区损伤演化及变化趋势,研究剪跨比、纵筋率、配箍率对墩底塑性铰分布形态的影响。基于国内外等效塑性铰长度计算公式与试验结果的对比分析,发现:塑性铰长度随墩身计算长度的增大而增大,配箍率、纵筋配筋率对其有一定影响;在现有规范及文献中,Telemachos、Eurocode8、高振世的塑性铰长度计算值与实测值较为接近,适于估算矩形空心墩的塑性变形能力。

钢筋混凝土空心桥墩的多尺度建模技术优化

为获得精确和有效的钢筋混凝土空心桥墩数值模拟技术,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,根据某空心桥墩试验结果分析建立了多尺度有限元模型;根据实体部分和梁单元部分长度建立不同比例的多尺度模型M1、M2、M3、M4、M5.对各模型在弹性阶段和塑形阶段的地震响应分别与试验结果相对比,从模型的精确性,效率和用时三方面进行分析,结果发现,随着实体结构占比的增加,位移时程曲线、加速度时程曲线和速度时程曲线都越来越接近试验结果,但是耗时和所占内存却逐渐增加;通过对精确性曲线,效率比曲线和用时曲线的对比,结果表明:M2即实体单元部分占比为0.5的多尺度模型更能模拟实际结构耗能破坏,在精确性和效率方面均能得到保证.

基于振动台试验的空心桥墩地震易损性分析

为有效评估钢筋混凝土矩形空心桥墩的损伤状态,基于空心桥墩的振动台试验结果,结合有限元数值模拟,利用考虑墩顶相对位移的损伤指标,以地面峰值加速度PGA为地震动强度参数,对钢筋混凝土矩形空心桥墩进行增量动力分析。由此,获得空心桥墩在不同峰值加速度作用下发生某种损伤的超越概率曲线,对桥墩进行损伤评估。研究结果表明:考虑墩顶相对位移的损伤指标能够对钢筋混凝土空心桥墩的损伤程度作出有效评估,通过超越概率曲线可以直观地判断出桥墩发生某种破坏状态的概率。本研究对钢筋混凝土矩形空心桥墩的抗震性能设计以及损坏评估修复具有一定的参考价值。

基于双向拟静力试验的钢筋混凝土箱型薄壁墩抗震性能

对14个钢筋混凝土箱型薄壁墩进行了双向拟静力试验,考察了长细比、轴压比、配箍率等对箱型薄壁墩双向荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、位移延性、滞回耗能和极限曲率等特性的影响,讨论了箱型薄壁墩的双向滞回性能.结果表明:在水平双向反复荷载作用下,箱型薄壁墩以弯曲破坏为主,低墩破坏区域集中于墩底,高墩的破坏区域明显上移;长细比越大,轴压比越小的箱型薄壁墩滞回曲线越饱满,变形能力越大;在长细比为6.9～13.1的范围内,位移延性系数随长细比的增大而减小,长细比为16.3的试件位移延性系数明显增大;长细比大于13.1的试件塑性破坏范围明显增大,但极限曲率显著降低.

低周荷载下FRP约束RC矩形空心墩的抗震性能试验研究

为了评价FRP约束RC空心墩的抗震性能,设计并制作了5个未约束和FRP约束矩形空心墩,并进行了恒轴压、水平单向低周反复荷载下的拟静力试验。通过对比分析了不同试验墩的滞回曲线、水平力和延性、总耗能和耗散系数。结果表明:FRP约束矩形空心墩的塑性铰区,可提高其抗侧刚度、改善其耗能能力和延性、提高其变形能力,且空心墩的抗震滞回耗能能力较稳定,但是,对水平力的影响较小。此外,耗散系数与总耗能的变化趋势不同,因此,评价RC空心墩耗能能力时,应综合考虑总耗能和耗散系数。

钢筋混凝土空心墩有效刚度试验研究

梳理既有桥墩有效刚度公式,结合 35 个矩形空心墩和 44 个方形实心墩试验数据探讨既有公式的合理性,发现既有公式对空心墩的适用性有待深入提高。为此,课题组基于拟静力试验,分析空心墩与实心墩有效刚度的差异性、影响因素及屈服位移三分量贡献率。以轴压比、剪跨比及fydb/(L√f'c)为控制参数,给出两类桥墩有效刚度的回归公式;并通过 5 个圆端型薄壁空心墩的拟静力试验结果,验证回归公式对薄壁空心墩的适用性。研究表明:相对于轴压比、剪跨比的影响,配筋率、纵筋及混凝土强度等对有效刚度影响不显著;有效刚度随轴压比、剪跨比的增大而显著增大,随参数(fydb/(L√f'c))的增大而减小;回归公式 I 适用于估算方形实心墩的有效刚度,回归公式 II 适用于估算矩形及圆端薄壁空心墩的有效刚度。

钢筋混凝土矩形空心墩受剪承载力研究

为准确计算钢筋混凝土矩形空心墩受剪承载力,验证实心墩计算模型的适用性,本文基于桁架-拱模型建立了考虑位移延性需求的矩形空心墩受剪承载力计算模型。通过从国内外文献中收集的共22组矩形空心墩受剪试验数据,对比分析了已有模型与本文提出模型的适用性、有效性和准确性。结果表明:Priestley模型、Aschheim模型和Sezen模型均高估了矩形空心墩的受剪承载力;Kowalsky模型和JTG/T 2231-01-2020模型计算结果偏于保守;Shin模型计算高强混凝土矩形空心墩受剪承载力时偏于不安全,不同箍筋强度下计算结果离散性较大;本文所提出模型能较为准确地计算不同混凝土强度等级和不同箍筋强度等级矩形空心墩的受剪承载力,计算结果与试验结果吻合较好且离散性小。