地震工程与结构动力学
地震工程结构，2003:32:1995-2012(DOI:10.1002/eqe.311)
矩形空心截面既有桥墩大型模型的循环试验
A.V.Pinto、J.Molina和G.Tsionis
欧洲委员会，联合研究中心，ELSA实验室，TP480，21020 ISPRA (Va)，意大利
摘要
在ELSA实验室进行了两个大型矩形空心桥墩模型的循环试验。原型结构是一座1975年在奥地利修建的现有钢筋混凝土公路桥。桥墩出现了一些地震缺陷，因此，它们表现出很差的滞回性能和有限的变形能力，以及不符合现代抗震结构规范要求的不良破坏模式。将实验数据与数值和经验预测进行了比较。
关键词:既有桥墩；矩形空心截面；搭接接头；钢筋切断；张力改变；纤维模型
1.引言
除了可能的人身伤亡外，桥梁严重的地震破坏会造成重大的修理或更换成本以及交通运输中断等经济损失。基于这些原因，重要桥梁在地震发生后要求只能遭受轻微的、可修复的损坏，并保持可以立即使用，以便于救济救援行动。欧洲和世界范围内的大多数现有桥梁在设计的时候，其地震响并未彻底弄清楚，也没有引入现代设计规范，因此，它们代表了地震多发地区的风险源。由于最近的破坏性地震导致了地震区划图的修订，现在有必要评估现有桥梁结构的抗震能力，并研究适当的加固技术。
首先对现代抗震设计规范之前设计的桥墩进行了试验评估[1–5]，截面形式有圆形截面、矩形截面[1；6–8]、开槽矩形柱[9]和扩口桥柱[10]。所有在潜在塑性铰区进行搭接的试件都出现过早破坏，未达到设计抗弯强度，且由于拼接钢筋与混凝土之间的粘结力损失，出现了不稳定的滞回循环。对于具有空心截面的方柱，发现延性行为很大程度上取决于受压翼缘的约束[1]。小比例(1:8)矩形空心截面桥墩模型在循环荷载作用下，延性[11]后强度显著降低。小比例(1:5)的高度二分之一处开孔的矩形柱模型在钢筋末端截面处破坏[12]。
试验活动涉及一座位于奥地利并于1975年设计的现有钢筋混凝土(RC)公路桥。桥墩为空心截面，通常这种截面广泛使用于在欧洲和日本使用[13]，但其抗震性能存在一些缺点，例如潜在塑性铰区内的搭接接头、端接钢筋在不易接近的高度上的钢筋切断，并缺少足够的延伸长度，纵向和横向钢筋的配筋率低。钢筋重叠长度短，水平钢筋细节设计不够，缺乏合适的约束钢筋。测试了两个小高宽比和大高宽比的大型(1:2.5)桥墩模型。试验活动的目的是调查未进行抗震详细设计的已建矩形空心桥墩的性能，识别和确认缺陷，并协助设计将在研究计划第二阶段应用的加固解决方案。根据实验结果对简化的纤维模型进行了标定。并将经验公式的预测值与实测值进行了比较。
2.试验模型的设计
2.1.试件的几何形状
选择比例因子S=2.5是为了在实验室内进行试验，便于施工，并使用正常的混凝土和钢筋直径。通过对模型轴的纵向钢筋进行精细设计以得到与原型尺度对应的抗弯承载力，同时尽可能地表示混凝土与钢筋之间的相互作用。最后一种情况要求钢筋直径与原型尽可能接近，同时保持钢筋的间距、重合和锚固长度、使用的钢筋直径和原型一致。模型中钢筋的拼接尽可能地接近原型，拼接长度按钢筋直径比例缩放，拼接的位置和分布保持在整个模型轴的高度。模型中详细考虑了横向配筋，以满足纵筋的抗剪承载力和间距要求；对于抗剪承载力，原型和模型均保持相同的横向钢筋配筋率。有关试样结构和设计的细节可以在别处找到[14]。
表Ⅰ.试样的材料特性(平均值)
|
钢筋 |
混凝土 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
540.2 |
595.8 |
14.9 |
矮墩 |
38.9 |
|
10 |
543.1 |
632.6 |
11.5 |
高墩 |
51.6 |
|
12 |
546.4 |
660.2 |
6.5 |
||
|
16 |
506.3 |
627.0 |
4.3 |
||
缩放的试样具有矩形空心截面，外部尺寸为2.74times;1.02m。翼缘和腹板的宽度分别为0.21m和0.17m。矮墩高6.5米(高宽比L/D=2.4)，高墩高14.00米(L/D=5.1)。为便于施工，混凝土保护层厚度选为0.015m。
混凝土型号选用C35/45(抗压强度标准值)，钢材型号选用S500(屈服强度)，采用欧洲规范2(EC2)[15]，按照原型桥墩规定的材料使用。由立方体试件试验得出的混凝土平均抗压强度，钢筋试件试验得出的屈服应力，极限应力，和最大应力时的应变均给出，见表1。
矮墩纵向钢筋由的变形钢筋组成，配筋率为，翼缘和腹板的每个面均布置一根的横向钢筋，配筋率。图1(a)给出了桥墩的钢筋布置:起动钢筋端接在基础块上方，竖向钢筋拼接在基础横截面上方和潜在塑性铰区域内。不同组钢筋的搭接长度分别为、和。如图1(c)所示，根据桥墩的原始设计，未放置箍筋或闭合箍。
高墩纵向钢筋由和的钢筋组成，配筋率。翼缘和腹板的每个面均布置一根的横向钢筋，配筋率。图1(b)显示了桥墩的钢筋布置:起始钢筋端接在基础块上方，钢筋的长度等于、、和，用于不同的钢筋组。纵向钢筋缩减的另一个重要特征，与同期设计的桥墩相同，是由于纯线性设计和无承载力设计，端接钢筋延伸长度不足。在距试样底部3.5m(总高度的25%)的高度(原型为)处，纵向钢筋总量减少了近50%，翼缘减少了30%，腹板减少了54%。这一事实，连同进一步讨论的张力位移效应，决定了在基底截面的抗弯阻力达到之前，该截面已经达到弯矩承载力。因此，损伤集中的临界截面位于距基底3.5m处。
表二将试样的力学性能与欧洲[15，16]、美国[17-19]和新西兰[20]的新桥抗震规范的规定进行了比较。
图1.钢筋详图:(a)矮墩竖向钢筋；(b)高墩竖向钢筋；(c)典型横截面截面
表Ⅱ 试样的力学性能和抗震规范要求
|
|
|
|
|
|
|
|
矮墩 |
20 |
0.4 |
0.09 |
|
|
|
高墩 |
20 |
|
0.09 |
|
|
|
欧洲[15，16] |
6 |
0.2 |
0.4 |
44 |
3.5 |
|
美国[17-19] |
6 |
1.0 |
0.4 |
43 |
4 |
|
新西兰[20] |
6 |
0.8 |
0.3 |
45 |
|
a三线型包络。
b双线型包络。
c EC8。
d底座横截面。
e钢筋截断横截面。
f地平面以上的塑性铰。
g不易接近的塑性铰。
对于材料特性的设计值，尽管所有规范都禁止在塑性铰区内钢筋拼接，但给出了最小搭接长度进行比较。根据EC2，设计搭接长度为
（1）
式中，、、、和是考虑混凝土保护层厚度、非焊接和焊接横向钢筋、横向压力和同一横截面搭接钢筋的配筋率时的系数，和分别是所需的和能提供的竖向钢筋的面积，是基本的锚固长度。
（2）
式中，为钢筋直径，为钢筋的设计屈服强度，为设计极限粘结强度。根据ATC-32报告[18]，搭接长度为
（3）
其中是钢筋的公称直径，是屈服强度(单位:psi)，是混凝土抗压强度(单位:psi)。在新西兰规范[20]中，对受拉弯曲钢筋的基本伸展长度使用了类似的表达式。
（4）
其中为考虑钢筋在截面中位置的参数，为钢筋的名义直径，为屈服强度(单位:MPa)，为混凝土抗压强度(单位:MPa)。直径大于32mm时使用不同的表达式。所有的抗震规范都要求使用封闭的箍或枕木来约束混凝土和保护竖向钢筋不受屈曲的影响。两个桥墩均未达到抗震细节要求。最值得注意的差异是控制构件抗震性能的横向钢筋的数量和间距s。
2.2.测试装置和仪器
水平位移通过两个液压执行器施加，每个执行器的行程为1MN。执行器一端连接到实验室反力墙，另一端连接到试样顶部的刚性钢盖上，不考虑扭转。每个活塞都配有一个荷载传感器和位移传感器。此外，安装在独立参考框架上的位移传感器测量每个水平执行结构的位移，轴向载荷通过固定在底座上的八根后张紧杆施加，并连接到另一端的液压执行器上，控制垂直执行机构施加恒定的轴向力。
将水平、垂直和对角位移传感器的桁架放置在整个试样高度的腹板上(如图2)，用于计算其节点的绝对位移。此外，还可以将总位移分解为弯曲构件和剪切构件的分位移。在桥墩高度和一个层面长度上设置了一套测斜仪，以测量旋转的角度。数据的采集是连续的，测试停止只是为了进行损坏检查。
图2.仪器和测试装置图:(a)矮墩；(b)高墩
3.矮墩循环试验
3.1.实验结果
试件承受3820kN的常轴力，与桥面传来的垂直方向的荷载相当(，为混凝土强度的特征值)。强轴方向的位移时程包括一个2mm的循环，两个9mm的循环，两个27mm的循环，两个56mm的循环和最后一个100mm的循环。
对于9mm的循环，弯曲裂缝出现在桥墩高度的前0.5m内。随着位移的增加，在与基础块的界面处出现裂缝并延伸到整个桥墩的长度。距底座0.5m处搭接接头上方出现水平裂缝。在随后的循环中，出现了一些对角裂纹，现有的弯曲裂纹扩展。在距离基础0.1m范围内的拐角处观察到混凝土剥落，与水平钢筋间距相对应。最后，当基础处的竖向钢筋在前一个振幅为56mm的周期内发生屈曲后发生坍塌时，便会导致试样破坏。测试结束时的损伤模式如图3所示。
图4(a)为实验力-位移图，包络曲线为三个不同的区域，其特征为三个不同的刚度:第一个区域对应于基本的线性行为；从第一次屈服到强度稳定的过渡区，对应于内部(腹板)钢筋的逐步屈服和开裂和一个后屈服区。因此，对于这些“多层”钢筋结构单元的屈服位移的定义是一个困难的问题，因为没有可用的标准。此外，包络曲线中的特征点的定义在某种程度上与所采用的解析模型有关。
图3.试验结束后的损伤模式:(a)矮墩；(b)高墩
如果是按照经典双线性模型，屈服位移可以定义在处水平线的交叉点处，从原点开始的线以的形式穿过实验曲线，其中在0.6和0.75之间变化[1，2，21]。对于多层(分布)钢筋截面，如剪力墙，通常使用最大内力的75%[22]，这导致在这种情况下屈服位移。对于具有细长横截面的分布钢筋，纵向钢筋的渐进屈服和中性轴的波动发生在第一次屈服后和强度稳定(总屈服)前，采用三折线图(有两个特征点:第一个屈服开始点和总屈服点)能更好的模拟试验结果。出于同样的原因，初始刚度是从原点到试验曲线的75%最大强度线来定义的。第二分支的刚度大小是满足等能量准则的实验曲线的近似值，总屈服后假定刚度为零。然后，在抵抗力不变的点处屈服位移。也可采用EC8[16]中建议的等效整体双线性图(基底剪切-顶部位移图)的替代定义。屈服力等于塑性机构形成时的力，这里将其定义为最大力，并遵循等能量法则。则屈服位移为。对于延性的三种定义，位移延性承载力分别为，和。以上三个
英语原文共 18 页
资料编号：[4562]
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。
