预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩抗震性能分析

为研究预应力灌浆波纹管节段拼装桥墩的抗震性能,在灌浆波纹管节段拼装桥墩拟静力试验的基础上,采用纤维梁柱单元建立预应力灌浆波纹管节段拼装桥墩的计算模型,对预应力筋布置位置、预应力筋配筋率和预应力筋初始应力等的影响进行了参数分析,以得到抗震性能更优的预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩,并根据对残余变形的计算方法进行了分析。研究发现,预应力筋初始拉应力使得墩柱截面轴压比为10%~15%,预应力筋配筋率为0.30%~0.60%左右时,峰值抗力和极限承载能力有较大提高,残余位移相对较小,累计能量耗散较大。预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩能提供更好的自复位能力,震后残余位移较小,各项性能参数总体上要好于非预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩。根据日本规范提出预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩残余位移的计算公式可以为工程实践提供参考。     

考虑自复位影响的预应力节段拼装桥墩地震损伤模型

预应力节段拼装桥墩在地震作用下具有良好的自复位能力,而既有的损伤模型无法准确评估预应力节段桥墩的地震损伤。鉴于此,有必要研究预应力节段拼装桥墩的地震损伤模型。从预应力节段桥墩的自复位特点和损伤机理出发,对自复位性能表征方法进行简化,提出采用自复位修正因子来对桥墩在地震作用下的累积耗能进行修正,从而获得考虑桥墩自复位性能的地震损伤评估模型。在此基础上,划分预应力节段拼装桥墩的损伤状态,最后验证该地震损伤模型及损伤分级方法的适用性。结果表明：预应力节段桥墩的自复位性能与耗能损伤之间呈现明显的相关性,考虑桥墩自复位的地震损伤模型和分级方法适用于不同的预应力节段拼装桥墩,为定量评估预应力节段拼装桥墩在地震作用下的损伤程度打下基础。     

循环荷载下不锈钢力学性能建模方法

为研究不锈钢在循环荷载下的力学性能建模方法,基于OpenSees数值分析平台模拟国内外学者完成的奥氏体不锈钢和双相型不锈钢试件循环加载试验结果,以及配置奥氏体不锈钢的节段拼装桥墩拟静力试验结果。模拟结果与试验结果的对比表明：模拟得到的不锈钢循环加载下的应力-应变滞回曲线与试验结果吻合良好,数值模型可预测奥氏体不锈钢和双相型不锈钢在不同循环加载方式下的响应。不锈钢在单调加载与循环加载下的力学性能有较大区别,应分别建模和取值。配置奥氏体不锈钢的摇摆-自复位节段拼装桥墩滞回性能模拟结果与试验结果吻合较好,进一步验证了不锈钢力学性能建模方法的准确性。     

预应力筋布置对节段拼装桥墩抗震性能的影响

预制节段拼装桥墩具有施工工期短、对交通影响小、质量易保证等优点,但其在抗震性能方面存在不足。为获得具有较强抗震能力的节段拼装桥墩的预应力筋布置方式,分析了四种预应力筋布置方案,基于ABAQUS建立实体有限元模型,将拟静力分析结果与既有试验结果进行对比,验证分析模型的准确性,然后分析预应力筋的布置方式对节段拼装桥墩耗能能力和残余位移等抗震性能的影响。研究结果表明中心布置预应力筋的桥墩耗能能力较好,但同时残余位移也较大;分散布置预应力筋的桥墩耗能能力较弱,但残余位移较小。本文研究结论可为预制节段拼装桥墩的抗震设计提供借鉴。     

基于干接缝单元的预制拼装桥墩抗震性能数值模拟

为克服利用OpenSEES进行预制拼装桥墩纤维模型分析时干接缝区域模拟困难的问题,提出一种由刚性单元、非线性梁柱单元、零长度单元配合ENT单压材料组成的干接缝单元。通过基于干接缝单元的纤维模型数值模拟结果与文献中的1:3.5缩尺桥墩拟静力试验结果对比发现:该干接缝单元不仅解决了墩身混凝土压溃带来的模型不收敛问题,而且考虑了墩身节段宽度对干接缝区域的影响,使预制拼装桥墩干接缝处的力学性能更接近实际的力学性能;数值模拟结果与试验结果吻合较好证明了该干接缝单元用于模拟预制拼装桥墩干接缝区域的可行性。在此基础上设置耗能钢筋、外包钢管和墩底橡胶支承垫层作为桥墩附加耗能装置,对预制拼装桥墩进行拟静力循环加载模拟,研究不同耗能装置对预制拼装桥墩的滞回能力、预应力筋内力、累积耗能、残余位移以及等效刚度等性能参数的影响。结果表明:设置耗能钢筋和外包钢管可以显著提高预制拼装桥墩的耗能能力、水平承载力和刚度,降低预应力损失;设置墩底橡胶支承垫层也能提高预制拼装桥墩的耗能能力,但会降低桥墩的水平承载力和刚度,应根据桥墩自身刚度谨慎选择橡胶垫层的刚度。     

PVA-ECC加固桥墩抗震性能试验与数值研究

为了全面研究工程水泥基复合材料（ECC）加固桥墩的抗震性能,对采用聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（PVA-ECC）加固的桥墩进行了拟静力试验。并基于有限元分析软件OpenSees建立了数值模型,通过对比数值模拟结果与试验结果,验证有限元分析的有效性,在此基础上对PVA-ECC加固桥墩进行数值参数分析,探讨轴压比、新旧材料厚径比及体积配箍率变化对桥墩抗震性能的影响规律。结果表明:数值模拟的滞回曲线与骨架曲线和试验基本吻合;与普通混凝土桥墩相比,新旧材料厚径比为0.10时,即可获得优异的延性性能,ECC加固的桥墩变形性能显著提升,极限位移提高,滞回曲线更加饱满,抗震性能更加优异。对于高轴压比情况,为了确保ECC加固桥墩的延性性能,应根据实际情况增加新旧材料厚径比;ECC材料可部分替代箍筋作用,适用于箍筋配置不足的桥墩加固,PVA-ECC具有较好的工程抗震加固的作用。     

新型型钢-混凝土组合柱恢复力模型研究

提出一种新型型钢-混凝土组合柱,并对其进行数值模拟分析,研究翼缘厚度、钢管径厚比、轴压比、混凝土强度等参数对该组合柱抗震性能的影响。将新型型钢-混凝土组合柱截面进行合理简化,基于平截面假定建立组合柱正截面承载力计算公式,通过对比试验与模拟数据,发现公式计算结果具有较高精度。进一步提出组合柱截面屈服点、峰值点、破坏点、加载刚度、卸载刚度等特征参数的计算方法,确定恢复力模型的滞回规则,最终建立基于退化三线型模型的新型型钢-混凝土组合柱恢复力模型。将公式计算得到的滞回曲线与试验得到的滞回曲线进行对比,发现二者吻合较好。     

预制预应力混凝土拼装框架梁柱节点抗震性能研究

针对采用预应力钢筋进行干式连接的预制预应力混凝土拼装框架梁柱节点进行抗震性能研究。设计制作了一组节点试件,对其进行低周往复加载试验和数值分析,观测节点变形与破坏特征,得到试件梁端力－位移滞回曲线,分析节点承载力、耗能水平与变形能力。结果表明:通过接缝开合可在较小位移下控制构件的损伤程度,破坏模式以柱端牛腿压剪破坏为主;与现浇混凝土梁柱节点相比,该节点具有良好的变形能力和自复位特征,但是节点整体耗能能力较低;采用简化的基于多折线骨架曲线的本构模型可以对节点的力学性能进行简化等效模拟。     

考虑双轴水平力耦合效应的RPC箱型桥墩恢复力模型试验研究

通过3个施加常轴力的RPC箱型桥墩试件的水平反复荷载试验,考虑水平荷载作用方向对RPC箱型墩抗震性能的影响,分析各试件滞回特性和骨架曲线的特点,对影响RPC箱型桥墩恢复力模型的主要因素进行数值回归分析,建立了计入双轴水平力耦合效应的RPC箱型桥墩恢复力模型。利用基于平截面假定的纤维模型法编制考虑轴力二阶效应的双轴压弯构件非线性分析程序,并对RPC箱型桥墩试件的骨架曲线和滞回曲线进行数值模拟。通过与试验结果进行分析对比表明:所提出的恢复力模型具有较好的精确性,能够较好地模拟和反映RPC箱型桥墩的抗震性能。     

CFRP加固对预制节段拼装桥墩抗震性能的影响

为提升预制节段拼装桥墩的抗震性能,采用碳纤维增强复合材料(CFRP)对预制节段拼装桥墩在地震中易损伤部位进行加固。基于既有试验,建立缩尺的预制节段拼装桥墩三维实体有限元模型,分析预制节段拼装桥墩在循环往复荷载情况下的恢复力特性以及破坏情况。分别采用箍筋加密和外包CFRP布对预制节段拼装桥墩底部节段进行加固,对比两种加固方式对预制节段拼装桥墩抗震性能的影响。研究结果表明,CFRP包裹桥墩底部节段能够增强桥墩整体刚度和承载能力,并且使得桥墩的刚度退化更加平缓,有利于预制节段拼装桥墩在地震作用下保持自身力学特性的稳定,确保桥梁整体的安全。     

钢筋混凝土圆截面桥墩抗震加固方式对比分析

为研究不同加固方式对钢筋混凝土(RC)圆截面桥墩抗震性能的影响,利用OpenSees有限元软件建立了普通RC桥墩以及分别采用钢套管、碳纤维增强聚合物(CFRP)、体外预应力筋进行加固的桥墩数值分析模型,对模型输入远断层地震动,进行增量动力分析。以墩顶峰值位移角与震后残余位移角为指标,对比分析了桥墩加固前后的地震响应。结果表明:采用钢套管、体外预应力筋和CFRP加固后,RC桥墩的峰值位移与震后残余位移均减小,钢套管加固方式对桥墩峰值位移的降低幅度最大,体外预应力筋加固方式对抑制桥墩震后残余位移的效果最好;随着剪跨比的增大,3种加固方式对桥墩在地震动作用下位移响应的抑制作用均逐步减小;随着轴压比的增大,3种加固方式对RC桥墩峰值位移的抑制作用逐步降低。     

基于纤维梁柱单元的桥梁墩柱地震反应模拟方法研究

为讨论利用纤维梁柱单元进行钢筋混凝土桥墩地震反应分析的建模方法,分别以4个悬臂式单柱墩和1个双柱墩拟静力加载试验,以及1个悬臂式单柱墩的振动台试验结果为依据,基于OpenSees数值分析平台建立了桥墩的地震反应分析模型。通过改变单元数量,分析了基于力的纤维梁柱单元和基于位移的纤维梁柱单元对桥墩地震反应的模拟精度。结果表明:对悬臂式单柱墩的拟静力和振动台试验,可沿墩高仅建立1个基于力的纤维梁柱单元,并在墩底串联1个考虑纵筋塑性渗透和粘结滑移的转动弹簧单元,即可获得很好的模拟结果。当采用基于位移的纤维梁柱单元时,应沿墩高至少建立2个单元,且塑性铰区至少有1个,才能保证获得较高的模拟精度。对双柱墩拟静力试验,采用基于力的纤维梁柱单元建模,沿每个墩高建立2个单元即可;以基于位移的纤维梁柱单元建模,建议沿每个墩高建立3个单元,且其中2个单元布置在塑性铰区。当数值模型可对静力滞回曲线取得很好的模拟结果后,该模型一般可对动力作用下墩顶最大位移和墩底最大剪力进行较为准确的模拟,但对墩顶残余位移的模拟精度无法保证。     

钢筋混凝土桥墩刚度和强度折减系数确定

目的是解析地预测钢筋混凝土桥墩在反复荷载作用下的非线性滞回特性。使用实验中得到的力一位移滞回曲线,对随轴压比,配筋率和配箍率的变化而变化的刚度和强度折减系数,进行了回归分析,并提出了其表达式。按照提出的理论力一位移滞回模型,能够预测现存钢筋混凝土桥墩的刚度和强度折减情况。     

钢—混凝土组合连续刚构桥墩梁连接节点抗震性能比较研究

钢-混凝土组合连续刚构桥的关键在于墩梁连接节点,设计了双层钢箱混凝土、钢筋混凝土和钢管混凝土等3种不同类型墩柱的连接节点构造形式。基于OpenSees平台建立了墩柱截面纤维有限元模型,并利用双层钢箱混凝土墩柱拟静力试验结果验证了数值模型的有效性,进而基于纤维有限元模型对3种不同类型墩柱节点进行了非线性滞回性能计算分析。结果表明:纤维模型能够模拟拟静力作用下组合连续刚构桥墩梁连接的滞回性能,双层钢箱混凝土墩柱与钢箱-混凝土组合梁连接节点的整体抗震性能要优于钢筋混凝土墩柱和实心钢管混凝土墩柱与钢箱-混凝土组合梁的连接节点,建议的刚性节点构造合理和传力路径明确,可为钢-混凝土组合连续刚构桥设计提供参考。     

Shake-table tests and numerical simulation of an innovative isolation system for highway bridges

Damage investigation of small to medium-span highway bridges in Wenchuan earthquake revealed that typical damage of these bridges included: sliding between laminated-rubber bearings and bridge girders, concrete shear keys failure, excessive girder displacements and even span collapse. However, the bearing sliding could actually act as a seismic isolation for piers, and hence, damage to piers for these bridges was minor during the earthquake. Based on this concept, an innovative solation system for highway bridges with laminated-rubber bearings is developed. The system is comprised of typical laminated-rubber bearings and steel dampers. Bearing sliding is allowed during an earthquake to limit the seismic forces transmitting to piers, and steel dampers are applied to restrict the bearing displacements through hysteretic energy dissipation. As a major part of this research, a quarter-scale, two-span bridge model was constructed and tested on the shake tables to evaluate the performance of this isolation system. The bridge model was subjected to a Northridge and an artificial ground motion in transverse direction. Moreover, numerical analyses were conducted to investigate the seismic performance of the bridge model. Besides the test bridge model, a benchmark model with the superstructure fixed to the substructure in transverse direction was also included in the numerical analyses. Both the experimental and the numerical results showed high effectiveness of this proposed isolation system in the bridge model. The system was found to effectively control the pier-girder relative displacements, and simultaneously, protect the piers from severe damage. Numerical analyses also validated that the existing finite element methods are adequate to estimate the seismic response of bridges with this isolation system.     

再生空心砌块砌体填充墙-钢管再生混凝土框架骨架曲线模型研究

为研究再生空心砌块砌体填充墙-钢管再生混凝土框架的骨架曲线模型,设计制作了2榀试件并对其进行低周反复加载试验,获取其滞回及骨架曲线。在此基础之上,对试件的骨架曲线模型进行相关的理论分析,建立了再生空心砌块砌体填充墙—钢管再生混凝土框架的四折线骨架曲线模型。研究表明:试件的滞回曲线呈现为饱满的梭形,表现出了良好的抗震耗能性能;通过相关理论分析建立的四折线骨架曲线模型与试验实测骨架曲线吻合良好,可为该类结构在地震作用下的弹塑性地震反应分析提供相关参考。