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无粘结后张法韧性纤维混凝土预制柱的循环响应
S. L. Billington1and J. K. Yoon2
摘要
对于混凝土桥墩系统中的一段预制混凝土节段的研究，将用于地震区域。所提出的系统使用无粘结后张法预应力（UBPT）混凝土段，并且在可能出现塑性铰的区域的预制混凝土段中使用韧性纤维增强的水泥基复合材料（DRFCC）。无粘结后张法预应力预期会产生最小的残余位移和较小的滞后能量耗散。韧性纤维增强的水泥基复合材料预期会对系统增加滞后的能量消耗和损伤容限。我们将这一系统用于悬臂柱，并进行小规模的实验。两个主要变量是塑性铰区段中使用的材料和该段嵌入柱基础中的深度。发现使用DFRCC混凝土比传统混凝土使系统消散更多的滞后能量，达到3-6％的漂移水平。此外，DFRCC在高循环的拉伸 - 压缩载荷下，比钢筋混凝土更能保持其完整性。底部段的嵌入深度影响DFRCC中微裂纹的发展和滞后能量耗散的程度。这项研究表明，所提出的系统对于改善地震区域结构的损伤耐受能力是有希望的。
DOI: 10.1061/ ASCE 1084-0702 2004 9:4 353
CE数据库主题词：混凝土，加固；桥梁，桥墩; 柱; 纤维增强材料; 拉压力; 混凝土，预应力; 塑性铰
1介绍
最近发生的大量地震对包括预制和现浇基础设施系统在内的结构造成严重破坏。为了确保地震后结构的适用性，我们注意到在新建和已建好的结构物中，为提高地震荷载下的性能，进行创新材料的开发和实施。具有强大抗震应用潜力的材料是韧性纤维增强水泥基复合材料，是一类高性能纤维增强水泥复合材料，这种材料在单轴拉力下表现出应变硬化行为。DFRCC的成分为波特兰水泥，水，硅灰或粉煤灰，细砂和低比例（约2％）的无规取向的聚合物纤维。由于稳态开裂，DFRCC在拉力加载时表现出多重细小的裂纹（Li和Leung，1992）。DFRCC显示比传统混凝土和许多纤维增强混凝土材料更高的拉伸延性，拉伸应变硬化行为和能量耗散。李克1998年对此研究的DFRCC微机械设计进行了综述。其他纤维增强复合材料在直接拉力下表现出延展性和应变硬化现象已被Majumdar 1970报道，Aveston等人。1971年，凯利1972年，汉斯特1978年，巴拉古鲁和沙赫1992年。在这里的研究中，研究了在高剪切和弯曲应力区域使用垂直未粘合后张力和预制DFRCC段的建议的部分预制混凝土桥墩系统的一部分。该系统一般是以前为非地震区域研究的后张力混凝土桥墩系统的延伸（Billington等。 2001年。）通过DFRCC段上均匀间隔的微裂纹，DFRCC段在分段预制混凝土桥墩系统的塑性铰链区域的集成预计将导致高能量耗散和大循环位移的高损伤容限，通过DFRCC段上均匀间隔的微裂纹。这里仅研究了一个铰链段长度，其高度大致为段的宽度。
为了研究DFRCC段损伤的公差，系统设计的唯一横向钢筋是为了抵抗剪切力。在研究中没有使用混凝土约束的额外加固。
此外，在所提出的系统中，没有穿过预制节段接头的钢筋。在其关节上无需连续粘合加固的预制段，这样可减少预制系统现场施工的人力和时间。然而，没有粘结强化穿过接头，系统中的滞后能量消耗非常小。因此，虽然该系统可能仅与传统的混凝土段一起使用，但本文提出的研究调查了在柱的潜在塑性铰区域中使用DFRCC段的效果，以通过 DFRCC段微裂纹的增加来提高系统的滞后能量耗散。
使用未粘合的系统，钢筋可以设计成在极限载荷下保持弹性，从而在循环加载之后保持其有效预应力，并允许最小的残余位移。理论上，使用无粘结后张法预应力的系统表现出非线性弹性响应，并且具有比有粘结后张法预应力的系统更低的滞后能量耗散能力。以前的实验和分析研究表明，无粘结后张法预应力系统实际上确保了一些滞后的能量耗散（通过混凝土开裂和破碎），如预期的那样，确实减少残余位移（例如，Priestley和 MacRae 1996; 池田1998; 和Kwan and Billington 2003）。
图1 水泥基材料的单轴拉伸应力
为了研究所提出的桥墩系统的行为，进行了小规模的实验测试程序和数值模拟。本文讨论了实验程序。实验研究的主要目的是将DFRCC的材料性能与循环载荷下的传统钢筋混凝土的材料性能进行比较，以评估DFRCC与传统钢筋混凝土相结合的性能，并为DFRCC材料的开发提供数据模型，以便于以合理的准确性对所提出的系统进行数值模拟。这项研究本质上是探索性的，重点是描述所提出的系统的行为和DFRCC的能力。构造和测试小型柱不能评估在DFRCC段中实现塑性铰和分布开裂所必需的节段接头的类型和位置，而不是在DFRCC段中的任何分布开裂之前，节段接头存在局部化打开。这里报告的测试结果用于校准桥墩的非线性有限元模型（Billington和Yoon 2003），并为相关研究项目（Rouse和Billington 2003）设计和测试大规模实验。
图2 所建议采用的分段预制混凝土桥墩系统
2 背景
以前的相关研究包括使用预应力的其他桥墩系统的研究，对使用无粘结后张法预应力混凝土墙系统的研究，以及对使用包含DFRCC的纤维增强混凝土的结构子组合的研究。伊藤等人在
1997年，研究了一套配有不同量的竖直软钢的柱体，并在循环载荷下进行了无粘结后张。Mander和Cheng（1997）研究了在桥墩系统中使用无粘结后张法来抑制地震荷载期间结构的横向位移。1999年，Sritharan等人研究了在桥墩帽梁中使用有粘结预应力以减少所需的接头加强，同时保持联合性能。2002年Perez等人以及Kurama和Shen在2004年还研究了无粘结的预应力墙体系。此外，已经对在预制混凝土框架系统中使用无粘结后张法预应力进行了抗震性能研究（例如Cheok等人。1993,1998; Priestley和MacRae 1996; Morgen和Kurama 2004）。
这里提出的系统，预制桥墩的塑性铰区域中使用延性纤维增强复合材料（DFRCC），钢材没有额外的横向约束。Naaman等人以及1987年Soubra等人进行的相关研究工作包括使用其他类型的纤维增强混凝土。为连接预制梁和柱，1992年，1993年研究了现浇纤维增强混凝土梁接头。1997年Henager和1984年Ramey在现浇混凝土框架的接头区域研究了现浇钢纤维增强混凝土的使用情况。1995年，Mishra 和Li研究了DFRCC在梁的塑性铰链区域中的应用，该梁为现场梁柱接头组件的一部分。1999年，Krstulovic-Opara还提出了将浆料渗透的混凝土（SIFCON）塑性铰区域用于框架组件的梁中。这里提出的研究与以前的研究不同之处在于，应用于桥礅所有构件都是预制的，DFRCC材料仅使用聚合物纤维（而不是钢），预制片段通过无粘结后张与关节是典型的分段结构的薄型“松耦合”（现浇）连接。
对DFRCC相关应用结构设计和改造的研究包括短跨度DFRCC梁和剪切接头连接板的循环试验（1998年，Kanda 等人。）以及使用DFRCC的Ohno型剪切梁的循环试验（1999年，Fukuyama等人）。2000年，Parra-Montesinos和Wight调查了DFRCC在钢筋混凝土柱-钢梁连接的外框架接头中的使用，并在接头中没有使用横向加固。最后，2002，2003年，Fischer和Li提出了用软钢和纤维增强聚合物（FRP）棒加固悬臂梁的实验。FRP钢筋的线弹性行为允许非常小的残余位移，漂移水平高达5％。类似的特性预期是无粘结后张法预应力在循环载荷下保持在其弹性范围内。
3实验课程
为了测量和观察所提出的桥墩系统在循环载荷下的特性，我们进行实验室测试程序。设计了大约为原型1/6大小的桥礅柱。制造和测试了总共七个一端固定一端悬臂柱试样：四个短柱和三个长柱。每个高度组的一列只包含混凝土段，而其他列的每个样本一个DFRCC段。每个试样代表桥墩实际高度的一半，承受反曲率横向荷载。
实验室测试计划的目标是：
bull;了解未粘合后张矩形混凝土柱的全局响应;
bull;通过增强型DFRCC铰链区段和具有钢筋混凝土铰链区段的柱体来比较柱子之间的整体性能差异，均采用剪切增强，但没有额外的限制钢;
bull;研究具有两个纵横比的柱的循环响应;
bull;研究铰链段嵌入对滞回能量耗散的影响。
图3 试样示意图
4试验种类
在准静态循环横向负载下测试了七个横截面为200*200mm的样品，以进行故障。短和高的样本分别是从固定点到装载点的380和685毫米。图3示出了具有标记符号的试样的示意图。每个高度组有一个传统的钢筋混凝土样本，用于比较传统混凝土样品与具有DFRCC段的样品的响应。其余的样本表示桥墩中的上部或下部铰链区域。DFRCC段位于铰链区域刚好在固定位置之上。节段之间的接头是配对铸造和环氧树脂填充或铸造“松散配合”，不匹配浇注并填充环氧树脂灌浆。选择环氧树脂灌浆用于测试松配合接头，因为这将增加系统的耐久性。
标本SFrc38标记为SFrc38mFig的伴侣。图 3具有DFRCC分段匹配的顶端关节和底部关节松动配合。两个样本几乎相同地进行，并且得出结论，这些位置处的接头类型不是调查长宽比的影响参数Yoon和Billington2002。因此，图3所示的各种试样的不同接头类型。预计3号不会影响每个高度组内的实验结果。 样品SFrc38m的结果在Yoon和Billington中给出。
图4 标本的加固布局
每个高度组的两个DFRCC标本之间的关键变量是该段嵌入固定物的深度。 DFRCC段总是铰链区段，并且具有暴露于循环载荷的152mm的DFRCC段。每个高度组中的一个DFRCC样本的底部接口比固定SFrc76和TFrc76 mm低76 mm。 每个高度组中的所有其他标本的底部界面的固定度低于38 mm。假设固定性从图8所示的刚性角度的顶部开始。在实践中，这样的嵌入将需要在基座帽或码头帽中的口袋，其中柱段将被灌浆到位。
低于固定度的38毫米深度预计不会为该段内的低碳钢提供足够的深度，以发展其屈服强度，并有助于在DFRCC段上大幅扩展开裂。然而，考虑到刚性角度限制在显影条上，预期固定度以下的76mm深度可以为段内的纵向温和钢筋提供足够的开发长度。
每个样品的色谱柱容量相同，设计大约是加利福尼亚州圣莫尼卡高架桥圆形桥柱设计的1/6尺度设计。为了简化制造，在本研究中使用矩形柱而不是圆形柱，如在原型中。标本被设计成具有传统混凝土的柱，而不考虑DFRCC的不同性质。
每个柱子在每个角落中有四个未连接的9.5mm直径的七线股和四个6.35mm直径的温和钢筋。纵向温和强化从每个段的顶部和底部终止大约25毫米。假设混凝土强度为35 MPa的设计力矩的能力估计为25.8 kN-m，通过采用粘结预应力柱的计算能力的80％（尼尔森1987年）。该柱设计为部分预应力，预应力为156 kN。预应力加上外力为44.5kN，表示静载荷。该列仅部分预应力，预计在10.5 kN-m的使用时刻，DFRCC将提供比传统混凝土更好的裂纹控制。使用最小剪力马镫，不包括地震细节，如混凝土约束的附加横向加固。研究中的一个问题是DFRCC材料是否将被充分限制在自己的位置。剪切键被设计用于匹配转换接口。图4示出了样品的典型横截面的详细的加强和剪切键布局。
表1 弹性纤维增强混凝土的混合设计
用于本研究的DFRCC混合设计在表1中给出，并且用于设计的材料性质在表2和3中给出。对于本研究，使用没有细骨料的DFRCC。 混合物可以用替代的，更经济的混合设计来代替，其使用飞灰，细砂和较少的增塑剂。 此外，这里使用的纤维可以用目前每磅约2.00美元的聚乙烯醇纤维代替。
5 制造和测试
测试设置的示意图如图1所示。图5使用坚固的支撑角来提供基座固定。固定角度为255mm高，并通过六根预拉杆水平连接在一起，在固定部分上提供6.2MPa的压缩。预张紧防止了样品与刚性底角之间形成间隙。用预紧螺栓将角度螺栓连接到基础测试梁上。在Yoon和Billington 中给出了使用这种基础固定物而不是使用混凝土基础块的效果的数值研究。
每列的加载点通过引脚连接连接到执行器。考虑到样品代表桥梁列的一半，会出现反向曲率，柱端的销支撑是复制拐点所必需的。
试样以几个步骤构成，以方便使用配合和松紧接头。 PVC导管用于预应力管道。所有混凝土和DFRCC段在饱和的石灰浴中湿固化14天。 14天后，将片段在室温下暴露，直到它们组装和测试。
测试前几周对样品的松配合物进行组装。用于松散配合的环氧树脂灌浆混合物由一部分经烘干的砂和一部分高强度，高体积的环氧树脂组成，测试时的最大抗压强度估计为48.3MPa。这些松散的接合处在压力下湿润固化24小时，并且不再施加压力另外6天。
表2 混凝土和工程水泥复合材料的抗压强度
将每个样品的底部段设置在使用水泥石的测试框架的硬度角内。然后通过连接匹配铸造接头完成组装。测试前一天，配合高强度高模量环氧树脂砂砾填充，并使用内部后拉伸，施加0.28 MPa的接触压力至少3-4小时跨越该部门的配对联合。铸造接头固化时，试件底部的固定接头被预紧。然后将绞线预应力，安装测量仪器。
表3 钢筋的材料性能
在每个测试中，对于一个致动器负载，总共进行了24次测量;一个执行器位移;三次旋转测量四筋腱;四剪马镫;四根基础螺栓穿过固定接头;和七个线性可变差分传感器LVDTs和/或串联电位器进行跨位移。 LVDT和串电位器位于顶部四个角落，并沿着标本北侧的高度测量横向位移。然后将试样的漂移定义为加载点高度处的位移除以从刚性基座角度固定点的顶部到加载点的距离。执行机构高度处的位移是由北面两个电位计测得的平均位移。
图5 测试设置
图6 加载方案
试样在循环载荷下进行试验，故障时间为12-13个循环。 图。 图6显示了用于实验的一般
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