英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于等效塑性铰模型的预制节段UHPC桥梁柱的横向性能
王振1;王景泉2;玉川 Tang3;高玉峰4;和张健，AMASCE5
摘要：
采用等效塑性铰模型的概念来评价预制节段超高性能混凝土（UHPC）桥梁柱的侧向性能。这些柱子由预制UHPC段组成， 这些段通过无粘结后张拉（PT）筋束和补充能量耗散（ED）棒进行整合。分析得出PT筋和ED筋的等效本构关系，以满足截面分析的平面截面假设。对三个试样进行循环加载试验，以验证所提出的等效塑性 - 铰链模型。试验结果表明，所提出的模型对于预测基础骨架的横向骨架曲线，刚度和开口具有良好的准确性。使用经验证的模型，进行参数研究以研究九个主要设计参数对柱的横向行为的影响。参数研究表明，当PT水平不超过屈服强度的44％时，增加PT水平比增加PT腱的比例更经济。最后，通过回归分析建立了有效刚度的简化公式。有效刚度取决于纵横比， ED 棒的数量和未粘合长度以及轴向负荷比。
DOI:10.1061/(ASCE) be.1943-5592.0001332。copy;2018美国土木工程师学会。
作者关键词：桥柱;超高性能混凝土（UHPC）;预制节段结构;无粘结后张紧;等效塑料铰链模型。
介绍
作为新一代水泥基材料，超高性能混凝土（UHPC）具有高强度、优异的延展性和增强的耐久性(de Larrard and Sedran 1994; Graybeal 2007; Graybeal and Tanesi 2007）。UHPC已被用于制造建筑柱，以扩大建筑物的可用面积（Sugano et al. 2007; Zohrevand and Mirmiran 2012; Nozawa et al. 2017)。UHPC也被用作建筑材料（Ichikawa et al. 2016），用于模板（Yamanobe et al. 2013）或作为灌浆材料（Tazarv and Saiidi 2016）在预制柱的潜在塑料铰链区，以提高建筑物和桥梁的抗震性能。UHPC的应用可以通过降低其高初始成本来进一步扩展（Gu et al. 2015)。为此，包括粗骨料、常规混凝土砂和大量辅助胶凝材料在内的一些经济部件，也可以纳入UHPC（(Liu et al. 2016; Meng and Khayat 2017; Meng et al. 2017）和UHPC桥柱可以通过分段结构制造（Binard 2017)。
作为加速桥梁施工（ABC）的一部分，预制节段桥梁柱具有一些优势，包括减少现场施工时间，减少交通拥堵，提高预制构件的质量，节省生命周期成本，以及减轻环境影响（(Hieber et al. 2005)。一系列实验研究证明，预制节段桥柱可以抵抗大的横向漂移，并在地震中表现出优异的自定心能力（Hewes and Priestley 2002; Ou et al. 2010a; Yamashita and Sanders 2009)。许多研究人员已经研究了预制节段桥梁柱的抗震性能中的两个问题：压缩脚趾处的混凝土破碎和地震期间有限的能量耗散（ED）。为了解决第一个问题，箍筋提供了塑料铰链区核心混凝土的限制（Ou et al. 2010b; Wang et al. 2008; Bu et al. 2016b），圆形钢管（Mander and Cheng 1997; Hewes and Priestley 2002; Chou and Chen 2006）或纤维增强聚合物（ FRP ）（ElGawady et al. 2010; ElGawady and Sha#39;lan 2011; Motaref et al. 2014)。一些先进的材料，包括UHPC（Ichikawa et al. 2016），工程水泥复合材料（ECC）和弹性垫（Motaref et al. 2014），建议在塑料铰链区域使用，以减少中等地震后压迫脚趾附近的损伤。为了解决第二个问题，部分无粘结低碳钢筋（Palermo et al. 2007; Ou et al. 2010a; Bu et al. 2016b）或形状记忆合金（SMA）横跨关键接头（Moon et al. 2015）或外部ED设备用于提高ED容量（Chou and Chen 2006; Marriott et al. 2009, 2011; Kam et al. 2010; Guo et al. 2016).当预制节段与无粘结后张拉（PT）筋而不是粘合的PT筋相结合时，可以实现出色的自动中心能力（Bu et al. 2016b)。
预制节段桥柱的横向性能对柱抗震性能至关重要，并已得到广泛研究。基于ABAQUS软件，开发了几种精细的有限元模型，以良好的精度再现横向力-位移骨架曲线（Ou et al. 2007; Dawood et al. 2012; Zhang and Alam 2016），OpenSees平台（Bu et al. 2016a; Wang et al. 2017），或室内项目（Roh et al. 2014)。这些有限元模型的结果用于建立经验公式，证明这些公式对于评估横向行为是有效的（Dawood and ElGawady 2013; Bu et al. 2016a).考虑到多连接的开放，还提出了一些分析推覆程序来预测横向力-位移曲线（Ou et al. 2007; Bu and Ou 2013）或基于双塑料铰链模型（Chou et al. 2013），但工程师很难实施。建立了预制节段空心桥柱变形能力的显式分析模型，并利用主要设计参数计算了理想化旗形滞回模型的系数（Wang et al. 2018b)。
本研究提出了由预制桥梁组成的预制桥梁UHPC段由未粘合的PT筋集成，并与部分未粘合的ED棒互补。对于所提出的桥梁柱，在等效塑性-铰链模型的基础上开发了横向性能的评估方法。当底部接头处的接头开口主导横向变形时，重新定义了等效塑性铰模型。分析导出公式以将ED条和未键合PT腱的实际本构关系转换为符合平面截面假设的等效本构关系。根据等效本构关系的截面分析，可以很容易地得到所提出的桥柱的侧向力-位移骨架曲线。通过对三个柱试样的循环加载试验验证了所提出的等效塑性-铰链模型。在验证模型的基础上，对预制节段UHPC桥柱进行了参数研究，并提出了柱的有效刚度的简化公式。
预制节段桥梁柱的等效塑性铰模型
桥柱的侧向位移
在抗震设计中，等效塑性-铰链模型用于评估RC整体式桥梁的横向性能。对于等效的塑料铰链模型，如图1所示。弹性曲率的分布假定为沿列线性，塑性曲率的分布在等效塑性铰长度Lp 内假定为常数（Watson et al. 1994)。
对于刚性基础上的整体式RC桥柱，Priestley 和Park（1987）建议横向位移D，在上部结构的质量中心（图1）可以计算如下所示，用等效的塑料铰链模型从曲线底部的临界截面的截面分析可知曲率-曲率曲线（M-f）：
其中 在柱底部首次达到屈服时在上部结构质心处的横向位移；；
在等效塑性铰链长度Lp上的理想塑性曲率；
首次达到屈服时的曲率；
从柱底到质心的距离
Delta;
Delta;
F
m
x
L
实际曲率
ϕ(x)
理想曲率
Lp
ϕp
ϕy
图1 RC整体式桥梁的等效塑性铰模型
对于在弯曲模式下失效的预制节段桥梁，横向变形主要归因于节点处的间隙开口（(Bu et al. 2016b; Ou et al. 2010b; Chou and Chen 2006)。当两个底部节段的强度相等时，底部节段高度与剪切跨度L相近。可以操纵以避免在第二底部接头处开出大间隙，这确保了在最底部接头处的间隙开口主导侧向位移。现有实验证明，关节滑动非常小，其横向位移可以忽略不计（Ou et al. 2007; Palermo et al. 2007)。等效的塑料铰链模型适用于如果底部接头处的间隙开口对横向变形的贡献被视为等同于塑性铰链区域的贡献，则可以预制节段桥梁柱（Chou et al. 2013; Ou et al. 2007; Palermo et al. 2007)。
基于等效纤维截面的截面分析
正如Ou等人报道的那样（2010b）和Wang等人（2018a），一座预制节段式桥梁柱由未粘结的PT筋组合而成，辅之以部分无粘结的ED筋。未粘合的PT筋被放置在该部分中心的预制管道中。ED棒的下端嵌入基础中，未粘合长度的ED棒位于基础接头处。与钢筋混凝土整体构件不同，预制节段桥柱具有无粘结长度Lub的ED钢筋，以及PT钢筋束的增量应力sPT,D，具体取决于整体后期，而不是底部的局部曲率f（Ou et al. 2007; Wang et al. 2017）。因此，基于平面截面假设的传统光纤模型不能用于进行预制节段桥梁柱的截面分析。相反，如本文所述，开发了等效纤维段用于预制节段桥柱的截面分析。
对于沿柱方向没有显着的刚度变化和ED设置的预制节段桥梁柱，基础和底部节段之间的节点开口在大的漂移处主导侧向变形;但是，也可能发生其他关节的开口。当预制节段桥梁受到图2所示的地震荷载作用时。
未粘合的PT筋
ED吧
Lp
刘
德
地
theta;r
d#39;ED
dED
dPT
c
图2.基础接头示意图
这是从王等人采用的（2018b），基础接头导致ED棒的伸长率处于拉伸状态。该伸长率计算如下：
（2）
其中基部接头开口的角度;
=离开基部的极端压缩纤维到ED杆的距离;
基部的压缩区深度。
如下图3，这是从Ou等人采用的（(2010a），ED杆通常在基部接头处具有无粘结长度，以避免过早的低周疲劳失效。为简单起见，Ou等人（2007）提出了等效的无键长度，即超过实际未绑定长度的每一端中的应变。假设ED条沿着未键合长度是均匀的，并且等效的未键合长度由表示。
图3.在关键接头周围，沿具有未粘合长度的ED棒的应变分布
因此，ED条的实际应变计算为：
（3）
（4）
由基础接头开口引起的实际旋转等效于沿等效塑性铰长度Lp 的恒定曲率f的结果（(Ou et al. 2007），如下：
（5）
（6）
基础接头的开口可以改变基础接头的拉伸应变关节处的ED条和ED条中的应变可能与传统平面截面假设所确定的不同(Ou et al. 2007)。建立符合传统平面截面假设的等效光纤截面，如图4所示拉伸区域中的等效平面截面是通过延伸压缩区域中实际截面的线来获得的。
图4.关键接头开口的应变分布
根据等效平面截面，等效应变。ED条上的可以计算为：
（7）
（8）
ED条的实际应力-应变关系可以表示为：
（9）
（10）
如图5所示，如果ED棒的实际应力-应变关系最初简化为理想的弹塑性，
图5. ED棒的实际和等效弹塑性本构关系
那么等效应力-应变关系可以用等效弹性模量和等效极限应变来确定，如下：
（11）
（12）
其中和分别是ED棒的实际应力-应变关系的弹性模量和极限应变。对于ED棒的其他本构关系，当根据方程式计算弹性模量和特征应变点时，也可以建立等效应力-应变关系。
对于RC，可以获得和（Palermo等人2007; Ou等人2007）如下：
（13）
（14）
其中和分别是ED棒的直径（以毫米为单位）和屈服强度（以兆帕为单位）；两部分：长度等于跨度长度的0.08L和
对于加固的UHPC，可以获得（Tazarv和Saiidi 2017）如下：
（15）
其中UHPC的抗压强度（以兆帕为单位）。将方程（15）中定义的代入方程（14）中的，将增强的UHPC的Lp计算为：
（16）
如图2所示，未粘合的PT腱的伸长率可以计算为：
（17）
其中压缩时从极端纤维到基部的距离与未粘合的PT筋的中心的距离
未结合的PT肌腱的增量应变表达（Wang et al.2017）如下：
（18）
其中=未粘合PT腱的整个长度
将方程（5）和方程（17）代入方程（18）得：
（19）
如图4所示，根据等效平面截面，未粘合PT筋的等效增量应变可以计算为：
（20）
将方程（
全文共27399字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[866]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
