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分析自定心预制节段桥梁的抗震性能
摘要 1目录
引言： 1
一：研究目的和方法 2
二：实验调查 2
三：加载模式 6
3.1仪器 6
3.2实验结果与讨论 6
3.3骨干曲线和刚度退化 10
3.4残余位移和修理弯 11
3.5能量耗散和等效粘性阻尼 12
3.6侧向负载旋转关系 13
3.7后张力记录与损失 14
3.8 FRP压力 15
四：总结和结论 16
致谢 16
参考文献： 17
自定心预制节段桥梁的抗震性能
摘要
本文介绍了具有不同结构细节的四个自定心桥弯的循环行为，包括外部能量消散器和氯丁橡胶隔离。这些弯头的柱由预制后张紧混凝土填充纤维管（PPT-CFFT）组成。还测试了抵抗混凝土弯曲的第五个整体力矩作为参考试样。试验结果表明，PPT-CFFT弯矩可用于桥梁结构中作为横向载荷阻力系统。没有外部能量消散器的PPT-CFFT弯曲显示约9.2％的横向漂移，而不会发生显着的损坏或残余位移。具有外部能量消散器的PPT-CFFT样品的漂移角达到9.2％，有一定的损伤。钢筋混凝土试件的漂移角大约为6.9％，造成实质损坏和残余位移。 DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000174。 copy;2011美国土木工程师学会。
CE数据库主题：延展性;地震效应;纤维增强聚合物;管;桥梁;连接;能耗。
作者关键词：延展性;地震;循环;玻璃钢管;桥梁;连接;分割。
引言：
在现行容量设计理念下，设计正确并在细节处加强的钢筋混凝土桥梁，预期能够经得住地震时的多方面破坏以及地震后的永久变形。Priestley等（1999）实施了一种自定心预制无粘合后张紧（PPT）施工系统，以减少这种残余漂移角度和结构损伤。Kwan和Billington（2003），Hewes和Priestley（2002），Chou和Chen（2006），以及Ou等人表明，分段PPT桥柱可以安全地抵抗横向循环力，以及可以承受巨大的非线性位移，并且不会发生巨大或突然的强度损失。非线性性质是段与段之间的界面接缝打开的结果，并不是由材料非线性故障导致。因此，与典型的单片钢筋混凝土柱相比，剩余位移，损伤和能量耗散较小。为了提高PPT分段桥墩的能量消耗能力，研究人员（Ou等人、 Chou和Chen 、Marriott等人; Rouse等人）为该系统提供了内部或外部的能量耗散器，将其放置在选定的界面接头处。Chou和Chen（2006）安装的外部能量耗散器，将桥墩的弯曲承载力提高了约10％。
纤维增强聚合物（FRP）被广泛应用于桥梁的改装。最近，混凝土填充的FRP管（CFFT）已经成为混凝土桥梁耐久性问题的一个较为经济的解决方案（Zhu等人。2006; Shao和 Mirmiran 2005; Fam等人。2003; Mirmiran和Shahawy 2003）。Zhu等人（2006）研究了置于混凝土填充纤维增强聚合物管（PPT-CFFT）中的单段PPT混凝土柱的抗震性能。通过使用柱的最大轴向容量的约10％来对柱进行张紧。该柱达到13％的漂移角度而不失去其强度，并且在制动器位移能力达到饱和时停止测试。此外还发现，在实验工作中设定的级别里，PPT-CFFT柱的后期张力与钢筋混凝土柱相比，性能没有特别提高。然而，使用后张力减少了剩余位移量。 ElGawady等 （2010a）对分段PPT-CFFT桥墩进行了静态循环测试。试验结果表明，PPT-CFFT可以安全有效地抵抗横向循环力。 测试的PPT-CFFT和RC试样表现为非线性延性。所以的PPT-CFFT产品都实现了在偏离约15%的情况下，保持强度不降低。这与所参考的钢筋混凝土试样不同，其在达到12％的偏离时即开始丧失强度。桥墩在达到约15%的偏离角度时，如果出现损害，也会是轻微的损害。大量关于分段建设以及CFFT的文献综述可在Dawood找到。
一：研究目的和方法
结合CFFT和预制后分段建设技术，将形成可以抵御地震造成的破坏的可持续加速施工系统。通过在FRP管内使用普通混凝土（即没有任何钢筋），混凝土比传统的钢筋混凝土（RC）元件能更为有效地回收利用。使用FRP管保护混凝土可以提高其耐用性。本手稿研究的主要目的是评估四种具有不同结构细节的PPT-CFFT排架的静态循环性能。这些排架的每一柱子都是通过将CFFT段堆叠在一起而构成的，并通过使用后张紧筋连接每一段。这些排架的横梁由常规钢筋混凝土构成。另外，将常规的钢筋混凝土整体抗弯框架作为参考试样进行了试验。具体来说，研究目标是：（1）用于建造排架柱子的CFFT段的数量带来的影响；（2）增加外部能量消散器（EED）的影响；（3）在最上段和横梁之间以及最下段和基座之间的连接处，插入氯丁橡胶片带来的影响。根据作者的认识，本文提出的测试是对于有CFFT桥墩的自定心混凝土排架的首次测试。
二：实验调查
本实验研究了使用PPT-CFFT构造的桥柱的四个排架的循环性能（图1;表1），使用第五现浇整体RC抗弯框作为对照样品（图2）。一般的柱的直径为203mm，清晰高度为1143mm。框架跨度为1676 mm，横梁宽203 mm，深381 mm。选择这些尺寸是为了使其适合华盛顿州立大学复合材料与工程中心的可用设备。本文提出了概念验证测试;在拟建施工系统实际应用前需要进行大规模的试验。试样F-RC是一块整体钢筋混凝土试样。该框架的每个柱子设有6个3号60级纵向钢筋（屈服强度为414 MPa），钢筋比为1.3％。钢筋没有任何搭接接头。横向钢筋由二号40级钢筋（屈服强度为276MPa），钢筋体积比为0.8％。脚为406毫米宽，610毫米厚和660毫米长。 PPT-CFFT样品中的每个桥柱都由预制CFFT段彼此堆叠在一起而构成，然后在结构上与未结合的经张紧的Dywidag棒连接，穿过位于段内的51mm聚氯乙烯（PVC）管道（图1和3）。样品F-FRP1中的每个柱通过使用单个1,143mm高的CFFT片段构建。其他PPT-CFFT样品中的每一列都是通过使用CFFT的三个部分构建的。每段高381毫米。构建与用于F-RC样品的基础和横梁相似的重复使用，以测试所有的PPT-CFFT标本。在将任何PPT-CFFT色谱柱安装到基础之前，使用6 mm厚的水泥砂浆层进行平整。然而，所有的段都具有平整的表面，因此在其它部分之间没有使用平整层。
图1 测试样品示意图（mm）
图 2 测试样品F-RC细节图（mm）
样品F-FRP3-R具有25mm厚的230mm正方形的氯丁橡胶垫片，放置在基部和底部部分之间以及最上面的部分和横梁之间的界面处。在施加张紧力之前，将柱塞的总高度稍微增加到1,193毫米，施加后张力后为1170毫米。 商业氯丁橡胶具有40的硬度计硬度Shore A（ASTM D2000-08，ASTM 20008a）和图1所示的压缩应力 - 应变（ASTM D575-91，ASTM 2007）。 4在本研究中被使用。 在真正的地震中，氯丁橡胶将削弱桥梁，并可能导致较低的地震力需求，但是排放需求。 这种力量需求的减少取决于地震运动的频率含量和桥梁的周期。
图3 样品F-FRP3-R测试
样品F-FRP3-S具有在弯曲的四个交替拐角处附着的经修饰的A36钢角形的EED（图1和图5）。 每个角度通过使用五个10mm直径的螺杆和Hilti HIT-RE 500环氧树脂系统螺栓连接。 五个螺栓中的两个螺栓通过相邻的柱螺栓连接，剩下的三个螺栓用横梁进行螺栓连接，或者用于底角的基础。 然而，在将北接头处的角度螺栓连接到横梁时，仅使用两个螺栓而不是三个螺栓。 在倾倒混凝土横梁的同时，一个镫骨偏离其原始位置，阻止了第三个螺栓的通过。
图4 氯丁橡胶的应力 - 应变曲线图
精心设计的EED应避免脆性拉拔失效，并由钢筋产生延性破坏。 使用EED可以减少地震需求，并限制对桥梁造成的破坏，并在强大的地震后可以更换。 然而，它对桥梁美学将产生负面的建筑影响。 另一方面，使用诸如软钢的内部能量消散器（例如，Ou等人2006）对桥梁没有建筑影响，但是将对桥梁弯曲造成显着的损坏，并且它不可更换。
用于样品F-FRP3-S和F-FRP3-R的混凝土具有20.5MPa的测量抗压强度（f 0c）和15,000MPa的弹性模量（Ec）。 其他样品采用f 0c和Ec分别为14.3和13,600 MPa的混凝土构造。
图 5.钢角度的仰角三视图（mm）
FRP管通过使用相对于管的纵向轴线以T55°纤维取向的长丝缠绕技术堆叠10层E玻璃纤维和环氧树脂，每层厚度约为1.318mm。 管的标称壁厚为3.18mm，内径为203mm。 选择该厚度以避免脆性剪切破坏（Seible等人，1995）。 管材上的试样试样分别具有192和16,600 MPa的抗压强度和弹性模量（ASTM D6641，ASTM 2009），分别为110和11,200 MPa的抗拉强度和弹性拉伸模量（ASTM D3039M- 08，ASTM 2008b）。
图6 应变计和电位计位置图（mm）
横向载荷施加在高于基础顶部1334mm的高度处。 由于插入氯丁橡胶垫片，样品F-FRP3-R的高度增加到1361 mm。 初始损失后施加的后张力为151kN，对应于后张力腱的极限强度的18％，约为0：28f 0c的轴向应力。 选择该值使得样品F-FRP1，F-FRP3和F-RC具有大致相同的标称横向强度。 样品的标称强度可以如ElGawady等人所示计算。（2010A）。 在这份手稿中，标称强度被定义为在开口界面接缝到达拉伸杆的位置之前，即在后拉伸力显着增加之前试样的横向强度。
三：加载模式
横向载荷模式包括在水平位移T0：5，T1，T1：5，T2，T2：5，T4，T5和T6的位移水平上施加三个周期，以使纵向加固中的首次弯曲（Delta;y） 的单片样本。 通过使用力矩曲率分析，Delta;y在理论上确定为10mm，对应于0.8％的漂移角。 有关测试设置和程序的更多信息，请参阅Shalan（2009）。
3.1仪器
使用八个串电位器来测量每列四个不同部分的垂直位移（图6）。 FRP管上的周向应变也通过使用每个柱的六个应变计来测量。 两个应变计也用于监测每个Dywidag钢筋的轴向应变。 通过使用串电位计和称重传感器分别测量柱顶部的横向位移和施加的横向力。 以2Hz的频率测量数据。 Shalan（2009）提供了有关仪器的更多细节。
3.2实验结果与讨论
在每个试样的横梁的中心线处测量的侧向力与横向漂移显示在图1中。 10.样品F-RC显示几乎线性，直到漂移角度约为0.8％。在这一点上，在横梁 - 柱关节处的柱中出现了几个小的弯曲水平裂纹（图10）。在横梁柱接头和基础柱接头的柱中产生了许多弯曲裂纹，漂移角为3.4％。当样品达到约53 kN的极限强度时，在横梁 - 柱接头和基础柱接头处的长度范围为100至178 mm的柱中发生明显的混凝土剥落，漂移为5.1％（图7） 。超越之后的循环导致试样的强度逐渐降低，并有大量的纵向钢筋屈曲。在塑料铰链处破碎柱混凝土芯发生在6.9％的横向偏移角，导致试样的横向强度下降约20％，这被认为是本手稿中定义的失效。最后，北柱的螺旋加固断裂，漂移8.4％，载荷33 kN，停止试验。样品中的显着损伤导致“脂肪”滞后环，表明能量消耗很高。
图7 试样F-RC实验结果图
除了试样F-FRP3-R之外，所有的PPT-CFFT试样都显示出比参考F-RC试样明显更高的横向强度，并且能够在更高的漂移下承受更多的横向载荷几个周期。 然而，后拉伸弯曲的极限强度明显受到初始拉伸力，墩直径和无粘结筋长度等因素的影响。 因此，在比较后张试件和参考单块常规钢筋混凝土试样的极限强度时，应谨慎使用。
PPT-CFFT样品开发了线性弹性响应，直到横梁柱和柱基础接口开口打开，产生了列摇摆机构。 对于多重标本（F-FRP3，F-FRP3-R和F-FRP3-S），在测试过程中目视观察到切片之间的界面接合处的开放。 在所有试样中，当执行机构达到冲程位移能力时，试验停止。
图8 样品FRP1最大位移图
样品F-FRP1和F-FRP3的表现与稳定的滞后响应非常相似。样品F-FRP1在施加的约9.2％的横向漂移下达到其极限强度为102 kN。在测试期间，在底部接口接头处没有观察到管损坏（图8）。北侧底部的FRP管的高度比柱高约5mm短，因此FRP管未与基底接触。在北部的顶部界面接头处，由于FRP管轴向混凝土横梁的作用，发生了FRP矩阵的微小损伤，沿着10mm的管子发生。首先在1.6％的漂移角度
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