Large-Scale Seismic Testing of a Hybrid Sliding-Rocking Posttensioned Segmental Bridge System
Introduction
A vast number of bridges in the United States have been classified as structurally deficient or functionally obsolete” (ASCE 2013). Most of these bridges require immediate rehabilitation or replace-ment, whereas a significant number is located in regions of mod-erate and high seismicity. Accelerated Bridge Construction (ABC) techniques have been investigated as a means of performing reha-bilitation or replacement of these bridges with minimal disruption of operation, minor environmental consequences, and limited socio-economic impact. Precast concrete segmental construction has been identified as a viable ABC technique.
Despite the apparent advantages that precast concrete segmental bridge systems offer, their application is mostly limited to low seis-micity areas, primarily because their seismic performance is still largely unknown. Aiming at extending ABC to regions of moderate and high seismicity, a novel segmental bridge system is introduced in this paper. The system consists of hybrid sliding-rocking (HSR) members (Sideris 2012), the fundamental components of which are the HSR joints and the internal unbonded posttensioning (PT). The HSR joints are plane interfaces without shear keys and oriented normal to the member axis. The HSR joints can be de-signed to exhibit sliding (slip-dominant, SD) or rocking (rocking- dominant, RD) to mitigate the applied seismic loading and reduce damage. The joint response is affected by the PT system, which can include straight or curved tendons. Two distinct types of HSR mem-bers are developed and investigated: (1) members with SD joints and straight tendons, intended for substructure columns (termed HSR-SD columns), and (2) members with RD joints and curved ten-dons, intended for superstructure girders (termed HSR-RD girders).
In past studies (Hewes and Priestley 2002; Chou and Chen 2006; Hewes 2007; Yamashita and Sanders 2009), joint sliding in segmen-tal members has been treated as an undesirable response mode, which can result in member instabilities and brittle failures caused by potential PT tendon fracture. This study establishes a different school of thought by recognizing that, as long as brittle failure modes and instabilities are prevented through proper design, joint sliding can be beneficial to the seismic performance of the system. This concept has served as the basis for the development of the HSR joints and members.
A two-stage experimental program was conducted in the Struc-tural Engineering and Earthquake Simulation Laboratory (SEESL) of the University at Buffalo (UB) to investigate the seismic perfor-mance of the HSR bridges (Sideris 2012). The testing program included: (1) a series of shake table tests on a large-scale HSR bridge specimen, and (2) quasi-static testing of the substructure of the speci-men. The test specimen incorporated an HSR-RD superstructure and two single-column HSR-SD piers. This paper presents results from the shake table testing program to demonstrate major response prop-erties and the applicability of HSR bridge systems. Specific details pertinent to the design and application of this system are beyond the scope of this paper and are available in Sideris (2012).
Background: Posttensioned Precast Concrete Segmental Bridge Systems for Accelerated Bridge Construction
Segmental bridge superstructures and substructures consist of a number of segments posttensioned together by several tendons,
which are typically bonded. Shear keys and epoxy adhesives are used at the segmental joints to ensure that the connections have sufficient resistance against shear (sliding) and tension (opening/ separation) (Billington et al. 1999; Megally et al. 2002a). This ap-proach, emulative of cast-in-place concrete, is intended to make segmental systems respond as if they are monolithic and has been used for the construction of several bridges in low seismicity areas (Freyermuth 1999; Figg and Pate 2004).
To extend segmental construction to areas of moderate and high seismicity, extensive research has been conducted over the last 10 years on the response of posttensioned bridge columns. Although attention was initially given to systems incorporating bonded tendons, internal unbonded PT was soon introduced to im-prove the ductility capacity and provide self-centering capabilities to these components (Hewes and Priestley 2002; Billington and Yoon 2004; Chou and Chen 2006; Hewes 2007; Wang et al. 2008; Yamashita and Sanders 2009; Ou et al. 2010a, b). The option of joint opening (rocking) was also considered in many studies (Ou et al. 2007, 2010a, b; Wang et al. 2008) to reduce damage in regions of high flexural demand. To increase the energy dissi-pation capacity of segmental bridge members, several studies have considered passive energy dissipation devices installed at the segmental joints, either in the form of mild steel bars crossing the joint (Ou et al. 2007, 2010a, b; Wang et al. 2008) or as exter-nally attached yielding devices (Chou and Chen 2006). In all of these systems, shear keys were used at the segmental joints to safely transfer shear forces along the segmental member. Joints without shear keys (but incorporating a thin layer of epoxy adhe-sive for leveling) were also considered (Hewes and Priestley 2002; Chou and Chen 2006; Hewes 2007; Yamashita and Sanders 2009) and found to provide adequate resistance against joint sliding.
Several innovative segmental systems associated with segmental column systems (Motaref et al. 2009; Sakai et al. 2009; Taira et al. 2009), rocking columns (Cohagen et al. 2009; Haraldsson et al. 2009; Roh and Reinhorn 2010), and bent cap systems (Cohagen et al. 2009; Haraldsson et al. 2009; Restrepo et al. 2011)
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大规模的混合Sliding-Rocking地震测试
Posttensioned节段桥系统
介绍：
大量的桥梁在美国已经被分类“结构缺陷或功能过时”(土木2013)。大多数这些桥梁需要立即修复或更换,而大量位于地区温和的和高地震活动性。加速桥梁施工(ABC)技术已经调查的进行康复治疗或替换这些桥梁的破坏最小操作、小环境影响和社会经济有限的影响。预制混凝土节段施工确定为一个可行的ABC技术。
尽管有明显的优势,预制混凝土节段桥系统,其应用主要局限于低地震活动领域,主要是因为他们的抗震性能仍然很大程度上是未知的。针对ABC温和的地区扩展和高地震活动性,小说节段桥系统介绍在这篇文章中。该系统由混合sliding-rocking(高铁)成员(Sideris 2012),其中的基本组件高铁关节和内部无粘结后张吗(PT)。高铁关节面没有剪切键和接口面向普通成员轴。高铁的关节可以设计展示滑动(slip-dominant SD)或摇摆(rockingdominant,RD)来减轻地震荷载及减少应用损害。联合反应是影响PT系统,可以包括直或弯曲的肌腱。两个不同类型的高铁开发和研究:(1)和SD关节成员吗和直肌腱,用于子结构列(称为HSR-SD列),(2)成员RD弯曲关节和肌腱,用于上层建筑梁(称为HSR-RD梁)。
在过去的研究(凿和普利斯特列2002;周和陈2006;砍2007分;山下式和桑德斯2009),共同在节段滑动成员已被视为一种不良反应模式,这会导致成员不稳定和脆性故障引起的吗
潜在的PT肌腱断裂。本研究建立一个不同学校的思想,认识到只要脆性破坏模式和不稳定是通过适当的设计,防止关节滑动可以有利于系统的抗震性能。这一概念一直是高铁的发展的基础关节和成员。
一个两级实验程序是在结构进行的工程和地震模拟实验室(SEESL)布法罗大学的(乌兰巴托)调查抗震性能的高铁桥梁(Sideris 2012)。测试程序包括:(1)一系列摇表测试大规模高铁桥梁标本,(2)准静态试验子结构的标本。测试样本包含HSR-RD上层建筑两个单列HSR-SD码头。本文的结果摇表测试程序来演示主要响应特性和高铁桥梁系统的适用性。具体细节与该系统的设计和应用本文的范围和可用Sideris(2012)。
1助理教授,民间部门、环境和建筑工程、科罗拉多大学博尔德有限公司80309(对应
作者)。电子邮件:petros.sideris@colorado.edu
2教授,部门土木、结构和环境工程、纽约州立大学,布法罗,纽约14260。电子邮件:aaref@buffalo.edu
3教授,部门土木、结构和环境工程、纽约州立大学,布法罗,纽约14260。电子邮件:af36@buffalo.edu
请注意。这手稿提交12月5日,2012;批准2013年10月2日,2014年3月11日在线发表。讨论期开到2014年8月11日,必须提交单独的讨论个人论文。本文是《结构工程的一部分,0733 - 9445/04014025copy;土木ISSN(15)/ 25.00美元。
背景:Posttensioned预制混凝土节段桥系统加速桥梁施工
由一个节段桥上层建筑和子结构数段posttensioned一起由几个肌腱,这通常保税。剪力键和环氧胶粘剂在节段关节,以确保连接使用足够的抵抗剪切(滑动)和紧张(打开/分离)(比灵顿et al . 1999;Megally et al . 2002年)。这种方法,模筑混凝土好胜的,目的是使节段性系统回复好像是铁板一块,一直用于建设一些桥梁在低地震活动地区(1999年Freyermuth 1999;福格和馅饼2004)。
过去10年,在响应posttensioned桥列方面，延长节段施工地区温和的和高地震活动性、广泛的研究一直在进行。最初虽然关注系统合并灌浆的,内部无粘结PT很快就介绍了改善
延性能力和提供以自我为中心的功能这些组件(凿和普利斯特列2002;比灵顿和Yoon 2004;周和陈2006;凿2007;王et al . 2008;山下式和桑德斯2009;Ou et al . 2010 a,b)的选项开口宽度(摇摆)也被认为是在许多研究(Ou et al . 2007,2010 a,b;王et al . 2008年),以减少损失地区高弯曲的需求。增加能量耗散节段桥接成员的能力,多项研究被认为是被动的能量耗散装置安装在节段关节,在低碳钢酒吧穿越的形式联合(Ou et al . 2007、2010 a,b;王et al . 2008年)或外部附加的设备(周和陈2006)。在所有的使用这些系统,剪切键的节段关节沿着节段成员安全地传递剪切力。关节没有剪切键(但将一层薄的环氧胶粘剂平)也被认为是(凿和普利斯特列2002;周和陈2006;凿2007;山下式和桑德斯2009)发现提供足够的抵抗联合滑动。
虽然预制混凝土节段的抗震性能桥列已经被广泛研究,很少研究集中在节段的抗震性能
桥的上层建筑(Megally et al . 2002 a、b 2003;Veletzos和雷斯特雷波2006,2008;Veletzos et al . 2006),因为地震荷载通常不为上层建筑的设计至关重要。大部分的这些研究被认为是内部保税PT。
进一步的扩展ABC温和的地区和高地震活动性,介绍和实验评估高铁桥梁posttensioned节段性的概念。在下面几节中,高铁的成员提供的描述和设计的概念进行了讨论。它的主要特点是通过演示高铁桥梁系统的响应摇表测试标本集成大型桥梁一个HSR-RD上层建筑和HSR-SD码头。
混合Sliding-Rocking节段性的描述成员
一般
高铁成员可能将SD和/或RD关节以及直或弯曲的肌腱。两种类型的高铁成员开发和研究,即HSR-SD成员子结构列和HSR-RD用于成员上层建筑梁。对于一个典型的HSR-SD列受到横向和垂直载荷,如列图1所示,所有关节的设计展览除了联合底部滑动。联合底部,弯曲的需求最大化,是为了表现出摇摆。对进气HSR-SD列(即。双曲成员),顶部和底部连接处也称为关节设计表现出摇摆。最后关节的弯曲/摇摆响应HSR-SD成员控制这些成员的极限强度。
图1。反应受到不断的垂直和HSR-SD列递增的横向荷载
另一方面,一个典型的HSR-RD上层建筑梁、图2所示的上层建筑,是为了只有RD关节为纵向和横向地震荷载。
SD关节不包含剪切键。然而,联合详细仍然需要关节附近的SD,管道在哪里适应工党肌腱被管适配器代替。管适配器,图1所示,是较大的块油管内部直径的管道。管适配器,在一起
与PT肌腱、控制联合滑动的属性。的路关节不包含管适配器。此外,剪切键的使用在RD关节是可选的。
尽管摇摆关节被认为是在几个过去研究中,这样的关节和之间存在明显的差异RD关节考虑。这些差异是:(1)RD关节不一定把剪切键或环氧胶粘剂,然后呢(2)RD关节主要是在上层建筑中实现(而不是子结构)。
图2。反应HSR-RD梁受到统一的竖向荷载
联合反应
HSR-SD列图1所示,接受一个常数垂直负载、光伏和递增的水平负载,Ph值,所有SD关节旨在展示滑动,直到他们达到他们的滑动能力。联合抵制了滑动摩擦在联合肌腱的接口和销效果。不同的阶段的联合滑动反应见图3,包括:(1)启动导管和肌腱之间的联系(无花果。3(b)]滑动幅度,usl;b,和(2)联合的结束滑动(无花果。3(c)]当肌腱与管道接触适配器在接头界面滑动幅度,usl;l。的销PT肌腱的影响包括:(1)腱轴承力量,虚拟现实;b,激活当滑动幅度,usl;b,(无花果。3(b)),(2)腱锁定部队,虚拟现实,,肌腱和管之间的适配器(无花果。3(c)),这是联合滑动时激活能力,usl;l。进一步增加后的Ph值滑动达到产能将增加应用关节力矩并有可能引起摇摆,如图所示在图3(d)。通常,HSR-SD列的SD关节表现出摇摆他们的滑动能力达到后,因为摇晃通常发生在关节。最后摇晃关节将限制需求其他关节。因此,图3中描述的反应(d)通常发生在最后关节HSR-SD列,只要这些关节不是设计纯粹的RD(即。,他们被允许表滑动)。
mu;=在接头界面摩擦系数;Next=应用轴向力;Npt是总力PT肌腱(即：Npt是总肌腱的力量，Ns,i是第i个肌腱的力量);usl =联合滑动;_usl =联合滑动率。更详细的摩擦模型提出了Sideris(2012)。腱轴承部队,虚拟现实;b,活跃在jusljge;usl;b(无花果。3(b和c)),(2012年Sideris)给出:
hda=高度管适配器;注重科技进步和回族=麦考利支架定义为一个变量u,回族frac14;你为你ge;0,和回族frac14;0,否则。锁腱力,虚拟现实;l,这是积极的jusljge;usl;l,给出
在吉隆坡=锁定刚度。刚度、吉隆坡的一个函数混凝土的力学性能和PT肌腱在附近
的联合。管道和管适配器内部直径,弟弟和银两,肌腱的直径、DPT滑动振幅发起肌腱在滑动轴承接触和能力给出usl,b=Dd-DPT,usl,l=Dda-DPT。
典型的滑动滞后SD联合(常数不扩散核武器条约》)提出了图4。如图所示,摩擦控制响应对于jusljle;usl;b。腱轴承部队后,虚拟现实;b,被激活(jusljge;usl;b),加强提升者,这几乎是线性的在实际的应用程序。一旦滑动能力(jusljge;usl;l),锁定部队,虚拟现实,l,被激活,导致
图3。一般反应的联合专栏的图1所示:(一)未变形的配置;(b)腱轴承部队,虚拟现实;b,激活;(c)滑动能力,激活锁定部队,虚拟现实;l;(d)摇摆滑动结束后增加的时刻;(e)摇摆;(f)和正常压力混凝土的应力分布。
图4。联合滑动slip-dominant高铁联合的滞后
重要的加强,这是由吉隆坡。能量耗散提供的联合摩擦不会造成任何伤害比潜在滑动界面的穿着和次要的混凝土在联合边缘剥落。自动定心的提供的轴承肌腱的力量。联合滑动的以自我为中心的功能是温和的,因为存在的摩擦,因为轴承部队已经经历了一些滑动后被激活(即。,jusljge;usl;b)。在这项研究中,以自我为中心的功能评估的部分的最大变形，这是可恢复的。
一个RD联合旨在回应只有摇晃。滑动是不允许的。摇摆的形式展部分接触相邻的混凝土段(联合开放),如图所示无花果。3(e和f)。总时刻反应在摇晃,,MR作为
d =截面深度;ds =第i个肌腱的距离从压缩纤维;cr =接触深度;beta;r =因子指示的位置具体反应部队,数控,从压缩纤维(无花果。3(f)]。从平衡:数控frac14;NPTthorn;Next。情商的第一个任期。(5)代表的贡献具体的一个组成部分,Mc,总联合时刻阻力,cr和beta;r通过选择的参数压缩普通混凝土应变的价值目标,εc(无花果。3(f)]。情商的第二个任期。(5)代表的贡献MPT,PT系统总联合抵抗,先生。的总扩展PT肌腱取决于摇摆和滑动的所有关节的一员,后来解释[情商。(6)]。
为了确保高铁成员的结构完整性,PT肌腱是为了保持弹性或只有轻微的经验收益率。由于无粘结后张,联合摇摆提供了相当大的以自我为中心的功能。这些功能减少在大摇摆旋转由于混凝土压碎和潜在的腱屈服。混凝土损伤和肌腱的收益率是唯一的能量耗散机制联合摇摆,通常展品低能量耗散特性。
HSR-RD上层建筑大梁的反应相似无花果。3(e和f)。Eq。(5)仍然有效;然而,第二个
术语(MPT)应该修改的方向肌腱(如果不是平行于轴)成员。一个主要区别直线和曲线肌腱之间的高铁是弯曲的肌腱在轴承与管道接触,后立即PT的应用。因此,usl;basymp;0,导致显著的激活抵抗力量,甚至对于小关节滑。因此,弯曲的肌腱协助对于防止发起联合滑动摩擦阻力,呈现
剪力键的使用可选的甚至是不必要的。
PT腱上分布的影响高铁的三维运动学关节
在三维(3 d)空间,高铁的滑动反应联合组成的两个翻译(飞机的)和一个扭旋转,而摇响应组成
两个摇摆旋转垂直于对方。扭转滑动股票类似的属性与平移滑动和展品方面的滞后响应(扭矩和旋转)类似于图4所示的平移滑动。
工党在横截面的肌腱应均匀的联合(和位于其周长)提供高阻扭滑,抗弯强度高,联合/成员对装载在各个方向(Sideris稳定2012)。为了稳定,所示的上层建筑图2包含直肌腱在顶部法兰。否则,PT系统将无法提供阻力位中跨对摇摆引起的负弯曲的要求(即。,要求导致紧张局势顶部法兰)。
对于对称截面,对称分布PT肌腱可以使用,如果对称是期望的结果刚度和强度。
地震响应特性
高铁成员减轻应用地震荷载的影响通过修改其刚度和强度,通过提供能量耗散。特别是,控制的振幅地震荷载是通过限制的联合力量并减少关节僵硬,导致延长的系统的自然周期。潜在的增加位移要求HSR-SD列与这一时期延长有关可以通过提供的能量耗散控制联合通过摩擦滑动。HSR-SD固有的能力成员通过提供较低的能量耗散的损害摩擦是一个主要的传统(仿真)和优势rocking-only成员。传统(仿真)和rocking-only成员通常需要补充能量耗散,这是收益率通常由外部设备提供或酒吧、讨论早些时候。摩擦也可以为后续地震提供可重复性
事件,因为这取决于选择的界面处理,穿着效果可以减少。
一个关键响应HSR-SD列的属性是迁移联合滑动从单个联合几个相邻关节的位移需求增加。联合滑动迁移造成腱轴承部队,虚拟现实;b(和腱锁定部队,虚拟现实;l),大大增加一个单一的抗剪强度联合随着滑动幅度的增加(Eq。(3)],导致传播联合滑动的相邻关节。迁移联合滑动部分关节摩擦补偿不确定性属性通过确保滑动将出现在所有SD关节位移的需求也在不断增加。
为统一在HSR-SD的所有关节摩擦特性列,联合顶部滑动开始联合,接触力更小(因为低重力的力量),和传播的
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