基于新的改进Bouc-Wen模型的预制RC桥墩滞回模型研究

Bouc-Wen-Baber-Noori(BWBN)模型是改进的Bouc-Wen模型。BWBN模型可以较好地描述钢筋混凝土结构在强震作用下的捏缩效应,但由于BWBN模型中“捏缩效应”函数复杂且参数较多,其计算效率较低。针对该问题,该文基于近似狄拉克δ函数构建更简单、高效的“捏缩效应”函数,进而提出了新的改进Bouc-Wen(MBW)模型,它可以用更少的参数来实现捏缩效应。基于预制RC桥墩的拟静力试验数据来验证MBW模型的有效性,利用MATLAB遗传算法工具箱对BWBN模型和MBW模型进行参数识别,结果表明,该文提出的MBW模型具有更高的计算精度。

近断层强震作用下城市组合钢板梁桥RC桥墩震后可修复性研究

为研究近断层地震动作用下城市组合钢板梁桥钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩的震后可修复性,以8度区、Ⅲ类场地的城市组合钢板梁桥为背景,分析在E2水平近断层地震动作用下RC桥墩的残余位移比。采用正交试验设计方法,按现行规范试设计25座典型三跨连续城市组合钢板梁桥样本,采用验证后的有限元建模方法建立全桥动力模型,分析跨径、桥宽和桥墩长细比对RC桥墩残余位移比的影响。并以样本中某3×35 m三跨连续组合钢板梁桥为研究对象,进行有限元模型参数分析,研究RC桥墩设计参数(轴压比、长细比、纵筋配筋率和体积配箍率)对残余位移比的影响。结果表明:组合钢板梁桥跨径、桥宽和桥墩长细比均对RC桥墩残余位移比有明显影响;RC桥墩残余位移比与轴压比和长细比成正比关系,而与纵筋配筋率和箍筋体积配箍率成反比关系;为提高城市组合钢板梁桥在近断层地震动作用下桥墩的可修复性,建议RC桥墩轴压比不超过10%,长细比不超过8,纵筋配筋率取1.5%~2.0%,箍筋体积配箍率取0.6%~1.2%。

基于承载力等效的RC桥墩动力相似性研究

相似理论是研究原型结构和模型结构相似关系的重要基础。目前钢筋混凝土桥墩的振动台试验大部分以缩尺模型为主,但缩尺后材料性能的相似关系难以保证。为弥补相似理论的不足,根据截面承载能力等效的原则,对截面配筋进行优化设计,以保证材料性能的相似关系。以Ⅷ度区为代表建立缩尺比为1∶4的原型及模型钢筋混凝土桥墩结构的有限元模型,通过施加不同烈度的3种地震动进行动力时程分析。结果表明,在同种地震动下,模型桥墩的墩顶位移和墩顶漂移率与原型桥墩大致相同,误差较小;且随着地震动加速度峰值的不断增大,误差在逐渐减小,验证了承载力等效方法可有效分析缩尺钢筋混凝土桥墩的动力相似性。

配置竖向无粘结预应力筋的RC桥墩残余变形研究

为进一步讨论采用竖向无粘结预应力筋减少钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩震后残余位移的可行性,建立了竖向配置预应力筋的RC桥墩动力分析模型,结合拟静力和振动台试验结果,对数值分析模型的准确性进行了验证。在此基础上讨论了无粘结预应力筋对RC桥墩震后残余位移的影响。结果表明,RC桥墩中配置竖向无粘结预应力筋能够明显减小桥墩震后残余位移;随预应力筋配筋率的增加,墩顶残余位移值明显减少;预应力筋初始应力和预应力筋位置对桥墩震后残余位移影响不大。近断层地震动是引起桥墩震后残余位移过大的主因,远场地震动下,桥墩震后残余位移与墩顶最大位移的比值在10%内;而近断层地震动下,桥墩震后残余位移与墩顶最大位移的比值可达30%以上。预应力筋最大应力值随墩顶最大变形基本呈线性增加的趋势。

RC桥墩抗震性能分析模型与验证

本文提出一种基于塑性铰模型的墩柱构件模拟方法,采用Mander提出的混凝土本构模型和Kunnath等建议的钢筋本构模型构造不同的纤维截面,经过参数分析,对圆形截面和矩形截面钢筋混凝土(RC)桥墩的拟静力试验以及足尺RC桥墩的振动台试验进行了数值模拟分析。同时,分析了该模型在模拟RC桥墩时的一些关键参数及其影响规律。研究表明:本文提出的纤维截面塑性铰模型模拟结果与实验结果吻合较好,能够合理反映RC桥墩的实际工作状态,对其抗震性能的模拟精度较高,实用性强。

预应力钢套箍加固RC桥墩轴压性能试验研究

针对圆形桥墩,提出一种采用预应力钢套箍(PSJ)对RC圆形桥墩进行加固的技术方法。测量7个采用PSJ加固后墩柱的轴压性能,研究箍板预应力度和配箍特征值对加固试件轴压性能的影响效果和规律,验证所提出的预应力钢套箍加固RC桥墩技术方法的可行性和加固效果,并分析采用PSJ加固RC桥墩的受压机理,提出采用PSJ加固RC桥墩的轴心受压承载力计算公式。实验结果表明:与对比件相比,加固试件的轴心受压承载能力和变形能力都比加固前有较大幅度的提高。研究成果可为既有RC桥墩加固设计提供依据。

强震地面运动频谱特性对RC桥墩结构非线性地震反应的影响

采用弹塑性纤维梁柱单元建立具有不同基本周期的钢筋混凝土桥墩(即短周期、中等周期和长周期的单自由度体系)结构计算模型.采用实际地震波和匹配同一反应谱的人工波,通过IDA分析,对比强震地面运动的频谱特性与桥墩结构非线性地震反应的相关性表明:随着地面运动强度的增加以及桥墩结构非线性程度的提高,频谱特性特别是反应谱的谱形对于不同动力特性的桥墩结构非线性地震反应的影响日益显著.在动力分析中,应该根据谱形选择输入地面运动,而不是完全根据震级M、距离R等来选择.

氯离子侵蚀效应对RC桥墩抗震性能的影响

为研究混凝土桥梁结构在服役期内由于环境氯离子侵蚀效应引起钢筋、混凝土锈蚀退化等导致结构抗震性能退化的规律,以某多跨钢筋混凝土连续梁桥为例,采用OpenSees软件建立非线性动力分析模型,根据已有研究成果并基于概率方法研究了墩柱截面主筋和箍筋锈蚀的开始时间和锈蚀率大小,进而建立了钢筋的直径及屈服强度退化模型;针对考虑纵筋锈蚀、考虑箍筋锈蚀、同时考虑纵筋和箍筋锈蚀3种情况,分别分析了材料退化对桥墩抗震性能的影响。结果表明:同等条件下箍筋锈蚀比纵筋锈蚀更早;随着时间的推移,氯离子侵蚀效应会导致桥墩抗震能力下降,结构的抗震需求明显增加;与以往只考虑纵筋锈蚀的情况相比,同时考虑箍筋和纵筋锈蚀时桥墩抗震性能退化更严重。

基于易损性曲线的RC桥墩地震损伤评估

为评估地震作用下钢筋混凝土(RC)桥墩的损伤程度,基于墩顶水平位移的损伤指标,提出了一种新的基于易损性曲线的地震损伤评估方法.建立非线性有限元分析模型,利用IDA增量动力分析得到损伤指标与PGA之间的对数线性关系,并由此获得了不同地震动强度下RC桥墩的易损性曲线.研究表明:本文所提出的地震损伤评估方法计算简单,能够有效地评估RC桥墩在不同地震动强度下的破坏状态,为震后RC桥墩的安全评估与加固提供了理论依据.

除冰盐环境下在役RC桥墩时效地震易损性研究

为研究除冰盐环境下在役RC桥墩结构抗震性能时效性.以我国北部地区某高速路段在役RC桥墩氯离子含量检测数据为基础,考虑氯离子扩散系数的时变性,构建适用于除冰盐环境下的氯离子扩散修正模型,并结合氯离子侵蚀对材料性能劣化的影响,进行在役RC桥墩时效地震易损性分析,计算地震作用下桥墩达到或超过某种特定损伤状态的失效概率.结果表明:在相同的地震作用下,随服役时间的增加,桥墩达到或超过某种特定损伤状态下的失效概率显著增大;桥墩从严重破坏至完全破坏的过渡延性最优,即桥墩在达到严重破坏时不会快速倒塌.

盐渍土环境中RC桥墩柱地震损伤试验研究与计算分析

为了研究盐渍土环境中RC桥墩柱的地震损伤,设计制作了10根RC桥墩柱,对其进行了电化学快速锈蚀试验及低周反复加载试验。试验中的主要设计参数为轴压比和锈蚀率。观察和记录了试件的开裂过程及破坏形态,通过实测数据绘制了构件的荷载—位移滞回曲线。在已有基础上提出了锈蚀RC桥墩柱在低周反复荷载作用下的双参数损伤模型,并对其进行了对比分析。试验结果表明:锈蚀率越大,滞回曲线捏缩现象越明显,滞回环面积逐渐减小,峰值荷载和极限位移也逐渐减小,试件耗能能力和延性明显降低,其损伤越来越严重;轴压比越大时,试件极限变形越差,耗能能力越低,其损伤越严重。通过与Mccabe损伤模型及Park-Ang损伤模型进行比较分析,得知该损伤模型更能准确反应构件的实际破坏程度,可为盐渍土环境中RC构件的损伤评估提供参考依据。

UHPC加固RC桥墩的全过程弯矩-曲率曲线研究

为研究设计参数对UHPC加固RC桥墩延性的影响,基于纤维法首先获取了桥墩的全过程弯矩-曲率曲线。在此基础上,从理论上研究轴压比、UHPC加固层厚度、混凝土强度、纵向配筋率等关键参数对加固桥墩延性的影响。研究结果表明:采用UHPC加固能有效提高原桥墩抗弯承载能力和曲率延性,且与UHPC加固层厚度呈正相关性。当原桥墩混凝土强度等级增高,相同加固厚度下对曲率延性的提高率将下降;除了在较低的轴压比下,配筋率对加固桥墩的延性影响相对于其他参数要小。

近断层地震下钢管混凝土加固RC桥墩地震响应分析

为深入研究钢管混凝土加固RC桥墩的抗震性能,利用Open sees有限元软件建立了RC桥墩与钢管混凝土加固墩的数值模型,对模型输入近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动、远断层地震动,进行增量动力分析。以墩顶最大位移角与震后残余位移角为指标,分析了RC桥墩加固前后的地震响应。结果表明:与近断层非脉冲型地震动、远断层地震动相比,近断层脉冲型地震动下的钢管混凝土加固墩与RC原墩的位移响应更大;钢管混凝土加固方式可有效抑制RC桥墩的最大位移响应,位移抑制率可以达到35%以上;钢管混凝土加固方式对于减小RC桥墩的震后残余位移效果有限,加固后甚至可能导致结构震后残余位移增大。

CFRP筋替代钢筋的劣化RC桥墩抗震性能分析

为研究CFRP筋替代钢筋的钢筋锈蚀RC桥墩抗震性能,运用ABAQUS有限元软件对在5%、10%、15%、20%四种锈蚀率下建立钢筋直径、屈服强度退化的桥墩模型,通过施加循环往复荷载对比分析CFRP筋替代钢筋对劣化RC桥墩抗震性能的影响。研究结果表明:CFRP筋替代纵筋时,可以提高RC桥墩的水平承载力和延性性能,但耗能能力较差;CFRP筋替代箍筋时,RC桥墩的耗能能力变化不大,水平承载力和延性性能有小幅度提高。

近场爆炸作用下节段预制拼装RC桥墩的易损性评估

为了评估近场爆炸荷载作用下节段预制拼装钢筋混凝土(RC)桥墩的损伤程度,首先开展了节段预制拼装RC桥墩的野外近场爆炸试验,然后建立了节段预制拼装RC桥墩的三维有限元精确化模型,以轴向剩余承载力作为节段预制拼装RC桥墩的爆炸损伤评估指标;接着探讨了近场爆炸荷载的不确定性量化,基于TNT当量和爆心距抽样的爆炸荷载研究了节段预制拼装RC桥墩的爆炸损伤程度以及损伤系数的概率分布,对近场爆炸荷载作用下节段预制拼装RC桥墩进行了易损性评估。结果表明:近场爆炸荷载下节段预制拼装RC桥墩的底节段近爆区发生局部冲切破坏,底节段残余位移最大;爆炸数值模拟与试验结果基本吻合,重启动进行轴向加载得到的轴向剩余承载力是可行的;基于TNT当量和爆心距抽样得到了节段预制拼装RC桥墩的爆炸损伤系数,不同TNT当量下的损伤系数呈对数正态分布;基于对数正态概率密度和条件概率得到了节段预制拼装RC桥墩在近场爆炸作用下的易损性曲线,可评估节段预制拼装RC桥墩在不同TNT当量下的爆炸损伤程度。所得结论可为节段预制拼装RC桥墩的爆炸损伤快速评估提供参考。

货车撞击双柱式RC桥墩的损伤机理与计算方法

为了明确货车撞击双柱式RC桥墩的损伤机理和破坏模式,为桥墩抗撞设计提供计算方法,利用显式动力分析软件LS-DYNA建立货车撞击双柱式RC桥墩的精细化有限元模型,采用框架墩简化质量模型替代整桥模型,引入三脉冲荷载简化模型作为加载机制,并对有限元模型和数值算法的有效性进行验证。对双柱式RC桥墩进行荷载-结构响应分析,考虑货车车型、车重、车速和桥墩尺寸等因素的影响,获取了桥墩在货车撞击下的受损破坏全过程,揭示了从弯曲裂缝产生、弯剪裂缝发展到剪切破坏的详细演进路径。明确了货车撞击双柱式RC桥墩的损伤机理,桥墩动力响应受到应力波传播和惯性作用双重影响,受撞桥墩截面最大剪力和弯矩出现在撞击荷载达到峰值时刻前后。分析了不同工况下桥墩破坏模式和截面内力响应,将双柱式RC桥墩受撞破坏模式分为弯曲破坏、剪切破坏和完全坍塌3种基本类型。提出了货车撞击双柱式RC桥墩动态抗剪承载力计算方法、桥墩截面动态剪力和动态弯矩的计算方法,结果表明:桥墩动态抗剪承载力与混凝土抗拉强度成正比,并与桥墩截面直径平方成正比。受撞桥墩截面内力计算值与有限元仿真值整体拟合度达到95%以上,所提方法可用于双柱式RC桥墩的抗撞击设计计算。

考虑氯离子侵蚀下的RC桥墩时变抗震韧性分析

为研究氯离子侵蚀对钢筋混凝土(RC)桥墩抗震韧性的影响,对服役于海洋潮汐环境中不同服役时间的桥墩进行抗震韧性分析.首先,对遭受不同时间氯离子侵蚀的RC桥墩钢筋进行强度和直径的折减;然后,结合Pushover分析结果确定不同破坏状态的损伤界限值,再运用增量动力分析(IDA)方法计算地震易损性;最后,基于地震易损性,同时考虑桥墩自身功能的退化及震后的修复,利用破坏概率对传统修复函数的韧性结果进行修正,提出了一种改进的韧性评估方法,对桥墩进行抗震韧性评估.结果表明:改进的抗震韧性评估结果与构件失效概率的趋势一致且属于合理范围之内,该方法克服了传统三种修复函数使用范围的局限性;随着服役时间的增加,当遭遇0.3g地震作用时服役40 a和50 a桥墩的抗震韧性退化幅度分别达到25.68%和35.64%,表明氯离子侵蚀对桥墩的抗震韧性有着显著影响,为桥墩抗震设计或者加固提供一定的参考依据.

RC桥墩弯剪破坏判别准则与抗震分析的改进模型

为进一步发展考虑非线性剪切效应的钢筋混凝土(RC)桥墩弯剪数值分析模型,分别基于修正的压力场理论(MCFT)和纤维梁柱单元模型计算了76个RC桥墩至极限荷载阶段时的剪切和弯曲变形,并根据两者之间的比值关系提出了桥墩弯曲-弯剪-剪切破坏模式的判别准则。根据桥墩破坏模式的不同,建立了桥墩弯剪数值分析的改进模型,以合理考虑桥墩弯曲与剪切变形间的耦合关系,并将模拟得到的桥墩滞回曲线与试验结果进行了对比。结果表明:桥墩剪切与弯曲变形的比值0.2和1.5可分别作为弯曲-弯剪-剪切破坏模式的判别标准,改进模型模拟得到的剪切及弯剪破坏RC桥墩滞回曲线与试验结果吻合良好。

矩形RC桥墩变形能力概率模型

桥墩是桥梁抗侧力体系中的关键构件。为实现基于概率和性能的桥梁抗震设计的多级性能目标,有必要给出桥墩在不同性能极限状态下的概率能力。基于已有研究工作,将RC桥墩的抗震性能水平划分为五个等级,并定义了相应的性能极限状态。采用等效集中塑性铰理论,推导并建立了各性能极限状态下RC墩柱变形能力的确定性计算公式;基于183个矩形RC墩柱试件的拟静力试验结果,通过多元回归分析,确定了各计算公式中与轴压比、长细比和配箍特征值等设计参数相关的待定系数。基于确定性计算模型和拟静力试验结果,考虑认知不确定性,建立了矩形RC墩柱变形能力的概率模型。通过实例分析,表明该模型可用于基于概率和性能的桥梁抗震设计和抗震评估。

墩顶水平冲击作用后钢筋混凝土桥墩剩余承载力研究

采用凸形盖梁的城市高架桥在地震作用下,桥梁上、下部结构之间的异相位振动可能会导致主梁与盖梁之间的撞击。为研究钢筋混凝土(RC)桥墩在震致墩顶水平冲击作用下的动力行为及其剩余承载力,设计2个桥墩模型分别进行冲击试验和拟静力试验。此外,基于ANSYS/LS-DYNA软件对冲击试验和拟静力试验进行有限元仿真,探讨冲击质量和速度、桥墩轴压比、截面宽度和配筋率等参数对单次冲击后桥墩剩余承载力的影响。考虑到震致撞击可能是连续多次的,进一步考虑损伤的累积作用,分析桥墩在连续冲击后剩余承载力变化情况。研究结果表明:由于构件的振动,在1次冲击过程中,冲击锤与桥墩之间会出现多次接触和分离;单次冲击时,桥墩剩余承载力随冲击质量和速度增大而减小,随桥墩截面宽度和配筋率的增加而增大;多次连续冲击时,桥墩剩余承载力随累积冲击动能增加而减小,在所考虑的加载模式下,冲击后桥墩承载力降低19%~32%。