薄壁拉筋矩形钢管混凝土墩柱抗震性能研究

相比圆钢管混凝土墩柱,矩形钢管混凝土墩柱的惯性矩大、稳定性强,但其对填充混凝土的约束较差。为探究端部拉筋和加载方向对矩形钢管混凝土墩柱抗震性能的影响,开展2根方形和2根矩形钢管混凝土墩柱的拟静力试验,分析比较端部拉筋以及加载方向对桥墩的刚度、承载力、耗能、刚度退化以及残余变形的影响规律。并采用ABAQUS有限元软件建立拉筋钢管混凝土桥墩精细三维实体-壳单元模型,有限元模型中混凝土单元引入裂缝,钢材引入韧性损伤以考虑更准确的拉筋钢管混凝土桥墩的抗震性能退化规律。研究结果表明:与传统钢管混凝土桥墩相比,端部拉筋约束钢管混凝土墩柱的屈服荷载、水平峰值荷载、累计耗能和弹性刚度分别提高49.3%、42.8%、24.1%和15.1%,抗震性能优于传统钢管混凝土桥墩。与弱轴加载相比,强轴加载时桥墩的屈服荷载、峰值荷载累积耗能和弹性刚度分别提高了45.1%、44.9%、51.7%和7.1%,表明强轴加载时更易发挥抗震性能。采用有限元软件建立的钢管混凝土桥墩精细三维实体-壳单元模型与试验结果吻合良好,反映了循环荷载下拉筋钢管混凝土桥墩的塑性大变形阶段承载力退化现象和滞回曲线“捏拢”效应。有限元模型计算的裂缝高度位置与试验结果基本一致。研究结果可为进一步优化钢管混凝土墩柱的设计提供参考。

厚硬顶板结构下巷旁超前卸压与高强支护技术研究

白庄煤矿9701工作面采用沿空留巷开采技术,其工作面顶板厚度及硬度大,巷旁支承压力高,巷旁围岩支护控制及整体留巷难度系数大。为此,设计采用“水力压裂超前断顶+钢管混凝土墩柱巷旁高强支护”组合技术方案,对上覆厚硬顶板结构进行综合控制。通过水力压裂超前断顶技术对巷旁厚硬顶板进行充分采前断顶卸压,形成巷旁短悬臂梁结构,有效缓解巷旁支护体所承受的压力。通过钢管混凝土墩柱作为主要巷旁支护体对沿空留巷的围岩进行高强支撑。经工程效果分析,该技术方案取得了良好的控顶效果,最大顶板下沉量为55 mm,巷道整体成型效果良好。研究成果可以对同类矿井开采提供安全指导。

外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土桥墩抗震性能分析

为了进一步推广可恢复功能的预制装配式桥梁结构在中、高烈度地区的应用,减少桥墩的震后损伤及修复成本,提出一种外置拱形耗能装置的节段拼装钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)桥墩。基于ABAQUS有限元分析软件建立无耗能装置、外置拱形钢板、外置竖直钢板、外置拱形耗能装置的四节段预制拼装CFST桥墩模型,并在往复位移加载作用下对各模型的抗震性能进行对比分析。研究结果表明:外置拱形耗能装置的预制节段拼装CFST桥墩具有较好的水平承载力、较高的初始刚度以及较强的耗能能力,与外置竖直钢板的节段拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力提升了约11.9%,初始刚度提升了约2.5%;与外置拱形钢板的节段拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力、初始刚度以及耗能能力分别提升了约28.8%、4.6%和13倍;与无耗能装置的预制拼装CFST桥墩相比,其抗侧承载力、初始刚度以及耗能能力分别提升了约39.4%、10.4%和18.1倍;外置拱形耗能装置的预制节段拼装CFST桥墩在整个位移加载阶段残余位移均保持在1 mm之内,偏移率不超过1%,且损伤集中在拱形耗能装置上,能够实现震后的快速修复。

装配式方钢管约束混凝土桥墩恢复力模型研究

采用ABAQUS通用有限元软件对装配式方钢管约束混凝土桥墩进行建模,计算了桥墩试件荷载-位移滞回曲线与骨架曲线特征值;以轴压比、长细比、约束系数、方钢管屈服强度、混凝土强度、钢管嵌入深度与桥墩边长比、嵌套钢管直径与桥墩边长比、嵌套钢管厚度与桥墩边长比为拓展参数,研究各参数对装配式方钢管约束混凝土桥墩荷载-位移骨架曲线的影响规律;借鉴钢管约束钢筋混凝土柱的计算框架,拟合得出装配式方钢管约束混凝土桥墩各特征值(弹性刚度、水平荷载峰值、峰值荷载位移与下降段刚度)的计算公式;该计算公式与有限元分析结果吻合良好,有限元分析值与公式计算值之比的平均值为1.004~1.035,均方差为0.133~0.162;选取实际工程对算法进行实例验证,计算结果与有限元数值吻合良好。

装配式波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩抗震性能研究

以研究承插式预制波纹钢管-橡胶混凝土墩的应用为出发点,对某座48m跨度的三跨连续梁桥进行了替代桥墩的力学及细部构造设计,在ABAQUS中建立了多尺度有限元模型,并进行了新型桥墩和几种常规桥墩在动力特性和地震响应方面的对比。结果表明:采用波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩替代后,结构自振频率显著降低,地震响应减小。波纹钢管的截面形式和橡胶混凝土对减小结构响应起到了积极作用。因此,将采用承插式的预制波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩应用于桥梁建造时,可加快建造速度,同时结构地震响应减小。

装配式圆钢管约束混凝土桥墩抗震试验及计算方法研究

为研究混合接头(钢管剪力键与灌浆套筒组合)连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩恢复力模型,对其开展拟静力试验研究和受力机理分析,建立经试验验证的ABAQUS有限元模型,同时拓展参数分析。在此基础上,借鉴圆钢管约束钢筋混凝土柱的骨架曲线计算模型,采用回归分析法,提出了混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩骨架曲线特征值计算方法。研究结果表明:与常规灌浆套筒连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩相比,采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩表现出优越的抗震性能;轴压比、长细比、约束系数和材料参数是影响装配式圆钢管约束混凝土桥墩抗震性能的重要参数;骨架曲线特征值计算方法与有限元分析结果吻合良好,两者比值的均值为0.97~1.05,均方差为0.062~0.072,计算结果可靠。结合骨架曲线计算模型,推导了混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩恢复力模型,与试验曲线相比,二者吻合较好,并得到工程实例验证。

不同腔体构造方钢管高强再生混凝土轴压性能

为研究底层钢管混凝土柱柱底区段受基础强约束的影响,进行了4个方钢管高强普通混凝土和4个方钢管高强再生混凝土墩状试件的轴压试验。钢管腔体构造分为空腔体、内置钢筋笼和栓钉、内置竖向肋板、内置分腔钢板;混凝土分为C60普通混凝土、RC60再生粗骨料混凝土。研究了各试件的破坏过程、荷载-位移曲线、承载力、延性、耗能能力和应变。试验表明:腔体内置钢筋笼、焊接栓钉、内置竖向肋板、内置分腔钢板对提高试件承载力和延性均有显著作用;相同腔体构造的方钢管高强普通混凝土试件和方钢管高强再生混凝土试件轴压性能接近。考虑基础对钢管混凝土柱柱底区段强约束的钢管混凝土墩状试件受压承载力大于相同构造的钢管混凝土柱受压承载力,提出了承载力影响系数,墩状试件承载力为柱状试件承载力乘以承载力影响系数。对试件轴压性能进行了有限元模拟,有限元模拟结果与试验符合较好。

循环荷载下钢管混凝土墩柱塑性大变形分析

钢管混凝土桥墩具有抗弯刚度大、承载力高、占地面积小和结构能耗强的优点,已在城市高架桥中得到广泛应用。为实现低周往复荷载作用下钢材韧性损伤和混凝土开裂对钢管混凝土桥墩抗震性能影响的准确模拟,开展国产Q235,Q345和Q420钢材的单轴拉伸试验研究,提出考虑屈服强度影响的参数确定性韧性损伤模型,形成参数确定性混合强化-韧性损伤模型。采用ABAQUS软件,基于参数确定性的钢材混合强化-韧性损伤模型以及混凝土三轴塑性-损伤模型,并在混凝土实体单元中采取水平裂缝插入技术优化桥墩模型,从而建立低周往复循环荷载下钢管混凝土桥墩精细有限元模型,根据单向循环加载下圆形和方形钢管混凝土各5个墩柱,以及双向循环加载下圆钢管混凝土柱2个试验结果的滞回曲线和屈曲形态,验证该精细有限元模型的合理性与有效性。分析结果表明:考虑水平裂缝和钢材韧性损伤影响的钢管混凝土墩柱实体-壳精细有限元塑性抗震计算方法,合理反映了单、双向循环荷载下钢管混凝土桥墩的滞回曲线“捏拢”效应和塑性大变形阶段承载力退化现象,也反映了钢管混凝土墩柱的界面滑移和约束作用规律。

极端温度对钢管混凝土格构式高墩抗震性能影响研究

为研究极端环境温度对钢管混凝土(CFST)格构式高墩抗震性能的影响,以某CFST格构式高墩斜拉桥为背景,开展温度对钢管混凝土材料特性的影响试验。通过建立桥梁空间有限元模型,探究极端环境温度对全桥自振特性和地震响应的影响,并运用地震易损性分析,得到不同温度工况下CFST格构式高墩的损伤概率。研究结果表明:当环境温度为-40~40℃时,混凝土弹性模量和峰值应力与温度呈负相关,钢材的力学参数受温度影响不明显;考虑材料温变特性后,CFST格构式高墩各阶自振频率随温度下降而升高;极端环境温度引起CFST格构式高墩材料力学性能的改变,高温工况下墩顶位移比常温工况显著增加;低温工况下,不同破坏程度的CFST格构式高墩损伤概率比常温工况均显著增大。研究结果可为高寒地区CFST格构式高墩抗震设计提供参考。

自复位钢管混凝土桥墩力学性能研究

为探究自复位钢管混凝土桥墩的力学性能,通过改变桥墩轴压比、施加预应力大小和耗能钢筋配筋率,建立了18个具有自复位功能的钢管混凝土桥墩有限元模型,并进行弹塑性分析,考察了该型桥墩的最大水平承载力、耗能能力和恢复能力。结果表明:自复位钢管混凝土桥墩在承载能力达到同尺寸部分填充钢管混凝土桥墩同等水平的同时,可以大幅度降低桥墩的残余位移,且耗能能力不低于部分填充钢管混凝土桥墩的40%。

混合接头装配式方钢管约束混凝土桥墩抗震性能研究

为了解混合接头(灌浆套筒和钢管剪力键相结合)及方钢管约束对装配式方形截面混凝土桥墩抗震性能的影响,分别制作混合接头连接+方钢管约束、灌浆套筒连接+方钢管约束、灌浆套筒连接+无约束的装配式方形截面混凝土桥墩试件各1根开展拟静力试验及有限元计算,分析各桥墩试件的破坏模式、结构延性、耗能能力、强度退化、刚度退化、残余位移等抗震性能及影响参数。结果表明:装配式方钢管约束混凝土桥墩试件的破坏形态基本相同,均为压弯破坏。与无约束的装配式混凝土桥墩试件相比,装配式方钢管约束混凝土桥墩试件的水平荷载峰值和位移延性系数更高;与灌浆套筒连接的装配式方钢管约束混凝土桥墩试件相比,采用混合接头连接的装配式方钢管约束混凝土桥墩试件滞回曲线更饱满、无明显捏缩,抗震性能更好。对于混合接头装配式方钢管约束混凝土桥墩,增大轴压比和降低长细比可提高桥墩的承载力,但降低了延性;增大约束系数可提高桥墩的承载力和延性,建议混合接头装配式方钢管约束混凝土桥墩的轴压比≤0.3,长细比≤12,约束系数取0.58~0.90。

方钢管约束混凝土桥墩拟静力试验

为研究不同约束形式及混凝土墩身与承台间的连接构造对桥墩试件的抗震性能和各项指标的影响规律,设计1根采用混合接头连接的装配式方钢管约束混凝土桥墩试件(SYP-GT4试件)、1根方钢管约束的整体现浇混凝土桥墩试件(SYZ试件)和1根方形截面的整体现浇混凝土桥墩试件(SFZ试件)。在桥墩墩帽处采用位移加载方式完成构件的拟静力试验,观察试件的破坏过程以及破坏模式,分析了桥墩的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、荷载-位移骨架曲线、延性、耗能等特征参数。结果表明,3根混凝土桥墩试件的破坏形态基本一致,二者均为整体压弯破坏模式。SYZ试件与SFZ试件相比,水平峰值荷载提高了46.5%,滞回耗能能力更优,均有很好的延性性能,表明方钢管约束的整体式桥墩抗震性能优于现浇混凝土桥墩;SYP-GT4试件与SYZ试件相比,水平峰值荷载数值相接近,位移延性系数提高了24.1%,残余位移小,变形恢复能力较优,滞回曲线呈现更饱满的梭形,无明显捏缩,连接构造对强度和刚度退化的影响较小,两者抗震性能接近。

某连续刚构桥增设中墩加固方案研究

某连续刚构桥为(64+115+64)m变截面预应力混凝土箱梁桥,常规检测发现该桥存在主跨跨中下挠、混凝土开裂与预应力损失等病害。采用设置体外预应力钢束、封闭裂缝、粘贴碳纤维布和钢板等措施加固后,检测发现跨中仍持续下挠,需再次加固,因此提出在主跨跨中增设中墩的加固方案。中墩采用钢管混凝土格构式墩,墩身由4根钢管(管内填充C50混凝土)、“N”字形横向联结系、斜撑与斜联组成,钢材均为Q345qDNH钢;在主梁腹板外侧设置体外预应力,在主跨跨中新增中横梁并设置腹板加厚层。为研究该方案加固效果的有效性,采用有限元法对比分析增设中墩加固前、后结构的承载力,运用反应谱、动态时程与耐震时程法分析增设中墩加固前、后结构的抗震性能,基于等效试验荷载法评估增设中墩加固后结构的承载力与刚度。结果表明:增设中墩加固后结构承载力、刚度和抗震性能均有效提升,加固后实际工作状况较好。

爆炸荷载下钢管混凝土墩柱的动力响应研究

设计并制作了3根普通钢管混凝土墩柱和1根复式中空钢管混凝土墩柱,进行了TNT药量分别为3 kg和50 kg的3发4工况静爆试验,获得构件的迎爆面及背爆面的柱面超压分布、残余变形以及最终破坏形态,结合有限元分析,研究了爆炸荷载下钢管混凝土墩柱的动态响应、破坏模态及参数影响。研究表明:50 kg TNT作用下、比例距离为0.14 m/kg1/3时,外径同为273 mm、壁厚为7 mm的普通钢管混凝土墩柱抵抗爆炸荷载的变形能力优于中空钢管内径为50 mm、壁厚为4 mm的复式钢管混凝土墩柱;基于试验结果建立了多物质流固耦合的数值模拟方法,可有效模拟钢管混凝土墩柱在爆炸荷载下的动态响应;钢管混凝土墩柱三种典型破坏形态分别是:低超压峰值-高持时发生弯曲破坏、高超压峰值-低持时发生剪切破坏及介于两种情况之间的弯剪破坏;炸药当量为50 kg,比例距离z>0.3 m/kg1/3时,爆炸荷载下试件柱的残余变形可忽略不计;核心混凝土强度等级的增强以及含钢率的提高,可有效降低柱中点水平残余变形;提高钢管屈服强度,可降低柱中残余变形,当钢材强度等级≥345 MPa时,继续增大屈服强度对提高钢管混凝土墩柱的抗爆性能意义不大。

钢管膨胀混凝土墩柱日照温度场分析

根据热传导理论与有限元分析方法,研究在日照作用下,太阳辐射、对流、热辐射3种热传导方式作用下的超高墩墩柱截面温度场计算方法。同时就气象参数、核心混凝土热工参数对截面温度分布的影响进行了参数敏感性分析。结果表明,在晴朗无云天气气候条件下,墩柱截面存在较大的非线性温差,最大正温差可达17℃以上,且墩柱表面太阳辐射吸收率对截面温差影响最大。

爆炸荷载下钢管混凝土墩柱柱面压力分布研究

通过两次TNT药量分别为3 kg和50 kg的大比例钢管混凝土墩柱静爆试验,1次TNT药量为50 kg的自由场静爆试验,获得了钢管混凝土墩柱柱面爆炸荷载的压力分布规律,对比研究了各经验公式(入射压力、反射压力和正压持时等)的预测差异与适用性。结果表明:钢管混凝土墩柱迎爆面负压区及背爆面压力值较小,可忽略不计;钢管混凝土墩柱对迎爆面反射压力有一定影响,但对正压冲量影响较小;当比例距离z>3 m/kg1/3时,球形爆炸波与半球形爆炸波入射压力的各预测公式结果近似,反射压力与入射压力的平均比值约为2.5;当比例距离z<3 m/kg1/3时,反射压力与入射压力的比值变化率随比例距离的减小而增大;反射压力经验公式预测离散程度较大,Henrych公式和Chengqing Wu公式的预测结果偏小;整体上,采用TM5-1300预测作用在钢管混凝土墩柱上的各爆炸荷载特征参数较为合理。

圆钢管混凝土桥墩弯矩-曲率关系分析

依据2个常用的钢管混凝土材料本构模型,采用纤维模型法编制了MATLAB计算程序,以分析钢管混凝土桥墩的截面弯矩-曲率关系。理论计算得到的弯矩-曲率关系曲线与国外学者进行的实验结果吻合较好,表明程序具有良好的适用性。并进一步分析了套箍系数、轴压比对钢管混凝土桥墩弯矩-曲率关系的影响。

钢管混凝土桥墩的应用与研究

对钢管混凝土桥墩的诸多优良特性进行了介绍,总结了国内外钢管混凝土桥墩的应用及研究现状,并就钢管混凝土桥墩的应用前景以及结构形式的演变进行了展望。

钢管混凝土墩柱截面选型

为了获得一种易于操作的钢管混凝土墩柱单肢截面优选方法,对工程中常见的3种截面形式(圆形、矩形与矩形中空夹层截面)进行了截面优选研究。基于统一理论和等效截面思想,提出了表征截面压弯承载力的经济性指标界限偏心率,研究了套箍系数、矩形截面高宽比、矩形中空夹层截面挖空率对界限偏心率以及3种钢管混凝土截面经济性的作用规律。结果表明:套箍系数、矩形截面高宽比、矩形中空夹层截面挖空率越大,矩形和矩形中空夹层截面的经济性越好;当套箍系数大于0.8,矩形截面高宽比大于2.0,矩形中空夹层截面挖空率大于0.3时,这3个参数对界限偏心率的影响较小;界限偏心率能够很好地表征钢管混凝土单肢截面的经济性;在截面内力和材料给定的条件下,通过查界限偏心率表能够快速确定钢管混凝土墩柱最优截面形式,对工程实际具有一定的参考价值。

外置钢管补强圆形钢桥墩非线性有限元分析

通过采用MARC有限元程序对外置钢管补强的7个圆柱形试件进行非线性数值分析,得到了在一定垂直荷载和往复水平荷载的作用下非线性荷载与位移的关系曲线,并考察了钢管的径厚比、桥墩柱的长细比对外置钢管补强圆形钢桥墩的延性、承载力和吸收能量的影响。结果表明:数值分析与试验结果较为吻合,外置钢管补强圆形钢桥墩具有良好的抗震性能。