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桥梁下部结构用FRP钢管混凝土柱的抗震性能研究
Zhenyu Zhu, A.M.ASCE1; Iftekhar Ahmad2; and Amir Mirmiran, M.ASCE3
摘要
研制了一套柱基组件，研究了纤维混凝土纤维增强聚合物(FRP)tu结构节点的施工可行性和抗震性能。BES(CFFT)作为桥梁子结构。根据预制行业的一般做法和以往对CFFT的研究，试验矩阵包括控制钢筋混凝土(RC)柱和三根CFF。T柱，均有相似的钢筋混凝土基础。三个cfft柱包括一个带启动棒的现浇cfft柱、一个带灌浆启动棒的cfft预制柱和一个带有cfft柱的预制cfft柱。无粘结后张拉棒。柱受恒定轴向荷载和伪静侧向荷载作用。所有建议的节点在施工中都是可行的，并且在极端荷载作用下都是稳健的3.认识。
FRP管在基础上适当固定时，通过向核心CO提供纵向钢筋和箍环约束，对柱的抗震性能有很大的影响非混凝土。CFFT柱在极限强度和延性方面均比传统钢筋混凝土柱有明显的提高。研究还表明了预制混凝土行业的实践。可方便、有效地实现CFFT柱的施工。
关键词：混凝土柱；连接；延性；基础；地震效应；子结构；管；桥梁
绪论
土木工程师越来越意识到与纤维增强聚合物(FRPS)合作的好处和挑战。其优点包括高强度与重量比和刚度与重量之比。TIOS，耐电化学腐蚀，反之亦然.然而，一个主要的挑战是提高应用程序的成本效益。除维修项目外，初始成本FRP使这一挑战更加令人畏惧。一种解决方案可能是混凝土混合结构，其中FRP提供了就位模板、护套、剪力和挠曲RE。加强。其中一个系统是混凝土填充玻璃钢管(CFFT)，它已经被弗吉尼亚交通部(DOT)用作桥墩柱(Fam等人)。(2003年)，按吨计算他是加州的大梁(Seible等人)。1999年)，并由佛罗里达州交通部作为示范桩(Mirmiran和Shahawy，2003年)。
尽管取得了重大进展并取得了成功的现场应用，但要使这些系统与传统的替代方案竞争，就需要开发CFFT与其他成员的可行连接。
这对于地震地区来说尤为重要，因为在那里使用玻璃钢是最有用的，尽管这些区域仍然处于危险之中。考虑到联邦公路管理局的新发展走向模块化建设和它的座右铭-“进去，出去，不出去！”
认识到地震工程中对连接的特殊要求，并在这些地区扩大预制混凝土的接受范围，这是一个大型的多大学预制件地震结构研究项目。l系统(PRISSS)于1990年代启动(Priestley，1996年)。( 鼓掌 )按Stanton等人的定义，预制系统用的瓷砖接头。(1991年)。节点的受力-变形响应为非线性弹性，耗能小，刚度损失小。e设计负荷。在反复加载和卸载循环下，具有自定心能力的梁-柱界面的间隙开合特性是弯曲行为的特征。类似的APCFFT柱可采用PRACH。
Seible等人(1996)进行了模拟地震作用下碳纤维CFFT柱的试验可行性研究。三种40%比例的原型圆形桥梁柱SH模型的试验结果由于预制和铸造CFFT系统具有显著的延展性和启动棒.没有任何起动器杆的系统，由于管道过早失效，延性很小或根本没有延展性。
近来，朱等人。(2004)报告了CFFT成员之间和与传统钢筋混凝土(RC)成员之间的一些可安装的连接方法。一些连接，such作为男女接头，直接从管道行业借用，而其他则是从预制混凝土工业中改编(Pci 1988)。( 鼓掌 )s特别关心的是评估连接在地震荷载下的性能。
第一章试验基体与试样制备
本研究的试验矩阵包括三个CFFT柱和一个对照的现浇钢筋混凝土柱，它们都有相似的钢筋混凝土基础。三个CFFT样本包括一个带有Start的现浇CFFT柱。从钢筋混凝土基础延伸而来的钢筋混凝土预制柱，从其钢筋混凝土基础上插入启动杆的预制CFFT柱，以及后张至无粘结钢筋混凝土基础的预制CFFT柱。高强度螺纹杆。所有标本的总高度为3.12米(10.3英尺)，其中包括0.61米(2英尺)。高钢筋混凝土基础和0.53米(21英寸)高柱头(见图1)。有关该实验计划的详细资料见朱(2004)。
所有柱，除底座外，都是从一批现拌混凝土中浇铸而成，28天的抗压强度为55 MPa(8 KSI)。控制钢筋混凝土柱的模板采用1.83米(6英尺)长305毫米(12英寸)直径的声管，CFFT柱采用2.44m(8英尺)长的玻璃钢管作为固定模板.用plusmn;55°E玻璃纤维和内径为31的环氧树脂缠绕而成。2毫米(12.3英寸)，壁厚5.1毫米(0.2英寸)。表1显示了制造商报告的管子的力学性能。
所有试样中的强化包括四times;16 mm直径（5号）和四times;19 mm（6号）的414 MPa（60 kSi）软钢棒，除了使用后张紧的CFFT柱。八根19毫米(0.75英寸)直径的B-7级高强度螺纹棒，屈服强度为724 MPa(105 KSI)。设计遵循典型的桥型配置，如邵氏(2003)所述。，加适量的加固，使管子的约束效果不会被不合理地放大。所有试件的后张法均采用Dywidag筋。外轴压缩载荷。棒材直径为25 mm(1英寸)，极限强度为1，034 MPa(150 KSI)。
所有柱的钢筋混凝土基础都具有相同的尺寸和内部加固。为方便柱的外部后张，应配置152毫米(6英寸)立方钢箱和38毫米(1.5英寸)直径。立式聚氯乙烯(PVC)管埋于立柱两侧的基础上。此外，在脚的每个角落都嵌入了一个直径为50毫米(2英寸)的垂直聚氯乙烯管道，以便后张到坚固的地板。
除预制后张法CFFT试件外，所有其他基础均有8根纵向起动器杆伸长。2.29米(7.5英尺)以上。图2显示了控制钢筋混凝土柱的钢筋笼，直径为13毫米(第4号)螺旋钢丝绳在坑中直径为216 mm(8.5英寸)处。57毫米口径(2.25英寸)。对于控制钢筋混凝土柱，在节点处对钢筋混凝土基础的表面进行了粗糙化处理，使其与混凝土更好地结合在一起。CA纵筋ST-就地CFFT柱采用4根216 mm(8.5英寸)直径箍，脚上嵌有直径为13毫米(4号)的钢筋。现浇CFFT柱用玻璃钢管为e。垫305毫米(12英寸)的基础，以提供足够的发展长度。图3显示了在铸造混凝土之前的两个铸件-就地混凝土和CFFT试样.用于现浇CFFT栏钢管内部的混凝土表面比基础表面低约203 mm(8英寸)，实现了柱基节点的更好的连续性。
为了提供足够的空间嵌入预制柱，这两个预制钢筋混凝土基础有一个457毫米(18英寸)直径声纳管嵌入318毫米(12.5英寸)的中心。底部每个声纳管都装有卡片。8根直径为13毫米(4号)的钢筋通过四面的索诺管以角向方向放置，以实现混凝土基础与混凝土基础之间的连续性。装配时的水泥浆。图4示出了具有8个纵向筋的预制加固CFFT柱的柱脚节点细节。后张CFFFT柱没有任何嵌入的纵向钢。相反，放置8个25mm(1英寸)内径PVC导管，如图1所示。5管道从地基上拉出约两个。铸造后的URS，为后张杆留下32毫米(1.25英寸)的开口。
玻璃钢管在柱头内埋入152 mm(6英寸)。对于预制柱，8根25毫米(1英寸)直径的PVC管通过柱和柱头放置。聚氯乙烯管道使用钢棒就位。为了将致动器附加到柱头上，将四个51毫米(2英寸)直径的PVC导管水平地放置在每个柱头上。
此外，两个38毫米(1.5英寸)直径的垂直PVC管道被放置在每个柱头的外部后张拉用于表示轴向载荷。
对于预制加固CFFT试件，柱被放置在位置上，8根筋从基础延伸到保留的柱导管(图6)。后张法CFFT试件，25 mm((1)将直径为1英寸的钢棒通过柱中的预制导管放置到底座的导管中。预制柱就位后，就把膨胀混凝土的配合物倒进了裂缝里。在柱子周围的脚上。水泥、水、砾石、砂土和膨胀剂的配合比分别为1.0：0.4：2.6：2.0：0.01。
在预制增强CFFT柱中加注压力，使其与柱内混凝土结合。压力灌浆是用25毫米(1英寸)di进行的。细薄壁软管延伸至柱底.管道在底部水平连接，使浆液从一个管道流向另一个管道。图7显示了T压力通过软管进入一个管道，直到它上升到相邻管道的表面水平。此外，还使用了直径6毫米(2号)的钢筋加固灌浆和消除。内特空隙。相同的程序，直到所有管道填充。水泥、水、砂和膨胀剂的压力灌浆混合料的重量比分别为1.0:0.4:1.2: 0.01。普罗佩试验结果证实了浇筑钢筋与混凝土芯之间的粘结，预制加筋CFFT柱与现浇CFFT柱的性能没有差别。.
第二章测试设置和仪表
每个试件的钢筋混凝土基础首先在一层薄的水合物石上平整，然后用四根Dywidag筋固定在坚固的楼板上，每个筋后张到223 kN(50 Kip).a 981 kn(22 Kn)。0 KIP)MTS执行器悬挂在2.9m(9.5英尺)的反应壁上，用4根螺纹杆通过柱头的导管固定在试件上。每一列都是ExterNally后张到445 kN(100基普)使用两个25毫米(1英寸)直径Dywidag棒通过头和钢筋混凝土脚。Dywidag钢筋连接到b处的嵌入钢块上。立足点。为了避免混凝土因柱弯曲而开裂，对粘贴钢筋试件进行了多次外后张法。
由于预制后张法CFFT试件不包含任何粘结钢筋，所以它的外部后张法是用两倍多的步骤进行的。总轴向力达445 kN(约占无侧限柱混凝土强度的10%，类似于Mirmiran和Shahawy(1999)的研究报告。试样内部后张，直径为19 mm(0.75英寸)的螺纹棒。采用EAC，采用液压千斤顶和椅子系统，分两步实现了螺纹杆的受力。H棒为55.7kN(12.5 kp)，相当于螺纹杆屈服应力的30%。每一列都用四个635毫米(25英寸)的范围内的字符串电位器在四分之一点上进行测量。测量横向偏转的高度。每根柱子上还安装了四对应变传感器，安装在加载平面两侧高度的四点处。测量不同截面的应变剖面。一个测斜仪放置在柱头的一侧，以测量试件的最大旋转，而另一个测斜仪则安装在t上。执行机构气缸监测其加载方向。在柱脚连接处和柱头连接处的玻璃钢管的滑移页，共监测了四个51毫米(2英寸)的射程。在加载平面两侧的测量仪。
此外，CFFT柱还装有30 mm(1.2英寸)表面安装的纵向应变计；在荷载作用下，柱的上四分之三高有三对。G平面，和两对在下面的四分之一柱高度。在加载平面上，在柱基的相对两侧，在环向上附加了两个量规。每个柱均有内粘结钢筋，每个柱都有两个应变规。以两根极端钢筋在柱基节点的水平上。此外，在每个Dywidag杆的中间高度也放置了一个应变计，以监测外部轴向力的波动。测试结果。在图8中示出了CFFT列的典型测试设置。
第三章试验程序和观测
每个试件先向外拉伸至445 kN(100 KPa)，约占柱分析预测强度的6~10%。这是在5-15%的典型死亡范围内。桥梁柱的荷载(Priestley和Benzoni，1996年)。然后，对试件进行反向循环侧向位移历史应用于一些增量步骤。柱漂移按位移延性表示，即施加位移与参考位移之比。参考位移对应于内部s的第一次屈服。控制钢筋混凝土柱中的Teel加固，出现在30 mm(1.2英寸)处。所有试件的参考位移都是相同的，因为所有的c-umns的屈服位移都是关于sa的。我根据横截面加固配置。在每个延性水平上，对柱施加两次反向侧向荷载。每个循环的加载时间。无论目标位移为20 min，加载速率为6mm/min~36 mm/min(0.236 mm/min~1.42 in./min)。图9显示装载方式.
与控制RC柱不同，CFFT柱没有失效到180 mm（7英寸）的位移。因此，它们被单调地推到300毫米（12英寸）的位移，相当于13.3%。漂移比单张力加载相的加载速率与6相同，为36.6mm/min(1.44 in./min)。
虽然在基座上表面的Dywidag筋的支座在钢筋混凝土基础上观察到轻微的损伤，但后来的应变测量证实，所有Dywidag筋都保持弹性。别再做测试了。此外，由执行机构上的倾斜仪读数所证实的是，在所有实验中，所施加的横向载荷的方向基本保持在水平。没有分离在试验期间，用于控制钢筋混凝土试件的柱脚接头处。另一方面，CFFT试件中FRP管与混凝土浆液的分离最小。硒通常只能在较高的位移时才能看到的分离，在柱与基础之间的荷载传递机制中并没有引起任何distur-bance，因为在柱和基础之间没有任何减轻应力的迹象。玻璃钢管子明显。
第四章应变测量
在所有CFFT标本中，管柱底部的隆起极小，小于3.5mm(0.14英寸)。隆起主要是在t点将标本恢复到垂直位置后恢复的。他结束了每一个装载周期。尽管它有限的抬升和与基础的分离，但作为纵向加固的结构部件，埋入管有效地参与其中。R混凝土和封闭装置。
对于预制试件，在试验过程中注意到混凝土浆体的轻微受力损伤。然而，浇筑的混凝土与钢筋混凝土结合良好，无明显裂缝。此外，在预制增强CFFT试件中未发现钢筋滑移现象。事实上，在t的顶部出现了一些裂缝。钢筋混凝土基础由于柱底弯矩过大。无论怎样，所有CFFT试件的柱脚节点都表现得相当好.
如图11所示，控制钢筋混凝土柱的裂缝逐渐扩展到中间高度，平均间距为152毫米(6英寸)。盖混凝土开始剥落当试样在60 mm(2.4英寸)漂移时，柱基达到61.8 kN(13.9kip)的峰值强度。混凝土剥落，伴随着几个荷载下降，延伸到大约0。在脚底以上9米（3英尺）（见图12）。柱的负载在152毫米（6英寸）的漂移下停止，因为柱的容量从其峰值强度下降超过15%。
铸造现场CFFT柱的表现要比控制RC柱好得多.通过试验没有发现明显的负荷下降.此外，该栏中没有发现损坏的明显迹象，特别是对于玻璃钢管中的小基体开裂。在单调加载阶段，即使最大挠度为305 mm(12英寸)，也没有纤维断裂现象。这些人保留了大约一半的我卸载时TS总挠度，然后再拉回垂直位置，残余力为23.6kN(5.3kip)。
预制加固CFFT柱的行为与其现场铸造相当。最初，试样被意外地加载
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