简支梁桥中高延性混凝土挡块的研究与探索.pdf

180第49 卷第9 期2023年9 月简支梁桥中高延性混凝土挡块的研究与探索陈欧文，董国华,王海江，段才华（云南大学建筑与规划学院,云南昆明6 50 0 9 1)摘要：为了探讨高延性混凝土防震挡块在地震作用下防止工程概况及受力分析桥梁上部结构在地震作用下产生落梁破坏的耗能性能，以3孔2 0 m结构连续混凝土预应力T型梁为研究对象，建立该桥的防震挡块的非线性动力计算模型，研究在地震动加速度为0.2 g,地震基本烈度V度的地震作用下高延性混凝土防震挡块的耗能性能。研究表明：高延性混凝土防震挡块能提高T型混凝土桥防震挡块结构的抗裂性能和变形耗能性能；高延性混凝土防震挡块相比于普通混凝土防震挡块，其出色的形变耗能能力能有效减小防震挡块在冲击力作用下的开裂状况，减小桥梁上部结构传输给下部结构的动力响应，有效减轻桥梁梁体在地震作用下的落梁破坏，综合比较可知，高延性混凝土防震效果更好。关键词：桥梁工程；简支梁桥；防震落梁；高延性混凝土中图分类号：U442.55文章编号：16 7 2-40 11(2 0 2 3)0 9-0 16 5-0 3D01:10.3969/j.issn.1672-4011.2023.09.0640 引 言我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位，属于地震多发国。在遭遇大地震时，公路桥梁会受到严重破坏,因挡块破坏而导致桥梁梁体滑落最为普遍、严重。挡块的破坏主要表现为：撞裂、撞断、撞碎等 1-2 。因此,加强抗震挡块的强度从而避免落梁是非常重要的。传统的防震挡块通常通过加大挡块刚度来抵御地震作用，但当地震较大时，上部结构与刚性过大的挡块碰撞发生高频振动会加大地震效应,存在不小的弊端。将传统防震挡块用新型的高延性混凝土优化，通过高延性的特点，在梁体与挡块碰撞时产生较大变形从而释放部分能量，起到缓冲作用以避免桥梁上部结构的大幅度横向位移，减小地震力对梁下部结构及基础的损坏 3-51高延性混凝土的防震机理高延性混凝土是基于微观力学的设计原理，以水泥、石英砂等为基体的纤维增强复合材料，与普通混凝土相比具有高延性、高耐损伤能力、高耐久性、高强度（抗压、抗拉）以及良好的裂缝控制能力。通过高延性混凝土与构件表面优良的粘结性能，使高延性混凝土面层与构件成为整体，共同受力，并利用高延性混凝土的高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力提高结构的承载力、延性。高延性混凝土挡块较强的自愈合能力提高了构件在变化环境下的耐久性，可减少挡块在频遇小震后的检查和修复。较高的拉伸性能也能比普通混凝土挡块承受更大的地震荷载,更有效地防落梁 6-7 。收稿日期：2 0 2 2-0 3-31作者简介：陈欧文（19 9 8 一），男，哈尼族，云南红河人，在读本科，主要学习和研究方向：道路桥梁。基金项目：云南大学本科生科研立项项目：高延性混凝土应用于简支桥梁抗震挡块中的研究与探索（2 0 2 0 0 410 6）5川建材Sichuan BuildingMaterials2二本试验通过研究实际工程：3孔2 0 m结构连续混凝土预应力T型梁,分析在地震动加速度0.2 g，地震基本烈度VI度的地震作用下，高延性防震挡块对于防落梁的影响。桥梁立面如图1所示。2.0001500062文献标志码：B2.1防震挡块受力分析2.1.1MidasCivil非线性时程分析法非线性时程分析是将构件的非线性恢复力特性，通过滞回曲线，分析结构随时间响应的动力分析方法。弹塑性动力分析属于非线性分析，不能像线弹性时程分析那样使用线性叠加的原理，所以应使用直接积分法进行分析。程序中提供的直接积分法为Newmark-法，Newmark-是通过计算各时间步骤上位移增量并进行累加的方法。在各时间步骤上产生的残余力使用Newton法通过迭代计算消除。MidasCivil非线性时程分析法建模的一般过程：定义材料与截面；定义荷载类型；定义结构组；防震挡块的模拟；荷载施加；定义地震荷载；结构分析控制；运行、导出实验数据。经过MidasCivil非线性时程运行分析，得到在地震动加速度为0.2 g,地震基本烈度VI度的地震作用下桥梁梁体对于抗震挡块的撞击力为：F=258.76kN。2.1.2规范分析法根据文献 8，一个桥墩墩顶处的水平地震力：Fhe=1.5Agmb式中：Fhe为桥墩墩顶处的水平地震力,kN;A。为地震动峰值加速度，m/s;m,为桥墩顶处换算质点的质量，t,顺桥向：m=ma，横桥向：m,=m，+ma；横桥向由活动支座与固定支座共同承受。孔梁质量：（梁+桥面铺装）ma=28.8425+38424.4=814.696kN;ml=(ma+3000.75)7%=72.78kN;Ag=0.2g;u=0.15;Ra=M(d+m）=443.8 7 5k N;横桥向:m,=ma+m,=887.749 kN。F t e=1.5 A g m,=1.5 0.2 887.749=266.325 kN;Vol.49,No.9September,20232.0002.00013013015015000980099图1桥梁立面图（单位：cm）2F-F226.325-258.76FhE1500003226.325.165(1)Vol.49,No.9September,2023100%=14.33%。2.2桥梁梁体对防震挡块撞击的模拟2.2.1将实体桥梁抗震挡块以一定比例缩小挡块原型尺寸：l=1.8m,h=0.5m,b=0.45m；通过假定几何相似常数C,=5,即=C,=5,可拟定模PP1mhmb型尺寸为:l=0.36m,h=0.1m,6=0.09m;通过几何相似条件即可求得力的几何相似常数:C,=C，C。=C,C=53=125。原型挡块的水平地震力：F，=F h e=1.5A。m，=1.50.2887.749=266.325kN。通过力的相似条件可求得模型挡块的撞击力：F=2 130.6 N2.2.2碰撞过程中碰撞力定量计算实验过程时，以小球从高处滑落撞击模型挡块的撞击力模拟实际地震中桥梁梁体对防震挡块的撞击力。小球在撞击模型挡块后，会在挡块的撞击部位留下撞痕，即产生塑性变形,因此,系统的机械能是不守恒的。小球在撞击挡块的过程中，撞击部位附近材料受到的压应力较大，且越靠近撞击中心的材料压应力越大，越早达到屈服极限。在恢复阶段,这部分区域的材料按弹性规律恢复，因而留下塑性变形。实验中视为球挡块是正碰，小球和挡块的质量分别为m1、m 2,半径分别为Rl、R,弹性模量与泊松系数分别为E1、u,和E2、u 2。令挡块的半径和质量分别为R2,m2，利用文献 9 对碰撞过程中碰撞力定量计算便可得球与平板平均碰撞力与最大碰撞力：P=5M1.474n(1+1/k1/5)计算得出 P=454.77 kN。2.2.3基于冲量定理【10 的计算小球下落高度实验中的小球是从有一定倾角的斜面高处下滑撞击挡块，在滑落撞击过程中小球的冲击力和重力都是影响小球冲量变化的因素。冲击力属于碰撞力范畴，小球重力则属于冲击过程中的外力。在一般弹性碰撞理论中,通常由于碰撞体的碰撞力远远大于其重力，故在用冲量定理求解碰撞问题时通常会忽略碰撞体重力的影响。但是，在小球滑落撞击混凝土挡块的过程中，由于混凝土挡块的缓冲变形能力，小球的冲击力并非远大于其重力。小球从斜面滑落撞击挡块的过程与文献 10 中落石冲击过程是类似的,因此，可以依据小球滑落过程中的受力和速度变化，根据文献 10 中落石冲击力计算的方法建立小球撞击挡块过程延斜面法向的冲量方程，从而进一步算出小球需要的下落高度。理论上小球的冲击力峰值比平均冲击力大，即冲击当放大系数k为大于1的参数，而且不会是定值。直径与冲击力放大系数的关系如图2 所示。654320.4图2冲击力放大系数关系:1665川建材Sichuan BuildingMaterials假设挡块撞坏，则e，=0（e,为法向恢复系数，可参考文献 7 取值,若冲击过程中落石不发生反弹,则e，=0)即小球无反弹，由此可以取冲击放大系数h=4.8。则Fmmx=kP=2182.91 N。hp=66M(1+h)号+V=10ms-l+V=25ms-l0.81.2落石等效直径/m第49 卷第9 期2023年9 月Fnmax=k mbn(1+e,)又t(0.097mg+2.21h+100b=0.1125,可求得 H=1.5 m。3试验过程经过上述计算，最终得出：当小球以1.5m的高度下落撞击1：5的抗震挡块模型时，相当于在地震动加速度为0.2g,地震基本烈度VI度的地震作用下桥梁梁体对于抗震挡块的撞击。1)撞击装置：以质量球模拟桥梁梁体，撞击一个经1:5比例缩小的长方体桥梁抗震挡块，撞击质量球为3kg的铁球，小球下落高度为1.5m，如图3所示。51201-1350(2)383J1o460图3撞击装置立面图（单位：mm）2)挡块的固定：通过直立的螺杆与水平的钢板，将倾斜的底座转变为水平，以便抗震挡块试块的固定，如图4所示。16280螺杆451直径18 mm螺孔350381（a）侧面图572141290C.R9口1220米1.62.02.4+mgcosa0.045+1.2),h为厚度,HOSL000637400318999220直径18 mm螺孔41打穿8mm厚钢板2.8（b）钢顶板俯视图图4螺杆与水平钢板图（单位：mm）(3)89940016螺杆8mm厚钢板-8mm厚钢板第49 卷第9 期2023年9 月3)用直角角钢和螺栓将防震挡块试块与底座进行刚接连接，以此模拟实际工程中防震挡块与盖梁的刚接。4试验现象及分析4.1试验现象模型试块在小球的撞击作用下呈现出单逢开裂的现象。1)在经历3次小球重复撞击作用后，被撞击侧开始出现细微裂缝2)对其再次进行多次撞击，细微裂缝由被撞击一侧向撞击侧的对立面发展,并最终形成贯穿式的裂缝3)经过小球多次撞击试验，得到高延性混凝土和普通混凝土防震挡块撞击次数与裂缝关系，如图5所示。一图5裂缝宽度对比图4.2试验分析4.2.1高延性混凝土防震试块具有高耐损伤能力在小球相同次数撞击下，普通混凝土防震试块就像玻璃，耗能能力不足，会产生脆性破坏，防震试块呈现出破碎状态，丧失抗压、抗拉等力学性能，无法继续承受小球撞击时，高延性混凝土防震试块表面仅产生微小裂缝，试块趋于完整,具有一定的力学性能,就像被子弹击中的防弹玻璃，通过致密裂缝的生成消耗能量，表现出极强的韧性，在小球撞击的作用下能裂而不坏，具有高耐损伤的能力。4.2.2高延性混凝土防震挡块具有良好的裂缝控制能力普通混凝土防震试块中使用石子等粗骨料，由小球撞击力模拟地震力作用下，由小球撞击点应力集中导致的普通混凝土防震试块单缝开裂破坏而呈现断裂状态。高纤维混凝土抗震试块中没有使用石子等粗骨料，而是使用粒径很小的细砂等细骨料，这可以避免高纤维混凝土试块在受到小球撞击时产生像普通混凝土试块一样的应力集中而导致单缝开裂破坏。传统的混凝土防震挡块是通过尽可能提升挡块的强度提高抗震能力，而高延性混凝土防震挡块中添加了大量的粉煤灰，虽然会使基质的强度略微降低，但粉煤灰能起到填充空隙和毛细孔的作用,提高基质的均匀性。在挡块受到撞击时，能够降低各截面上开裂荷载的离散程度，有利于裂缝均匀产生，避免单缝开裂破坏。除此之外，高延性混凝土的关键核心材料是纤维,用于高延性混凝土的纤维主要包括聚丙烯粗纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯微细纤维等。当裂缝产生后，高延性混凝土防震挡块中添加的合成纤维能够在开裂处产生拉结作用，使得高延性混凝土防震挡块在继续受到撞击时不会因为已有裂缝进一步扩展导致破坏，而是会继续产生更多的细密裂缝，产生多缝多裂的现象，实现裂而不坏。在开裂后继续受拉时，高延性混凝土防震挡块的纤维并不会5川建材Sichuan BuildingMaterials像其他纤维混凝土中的纤维一样直接断裂，而是经历脱胶、滑移、拔出的过程，使裂缝宽度稳定增长。因此，高延性混凝土防震挡块具有良好的裂缝控制能力。4.2.3高延性混凝土防震挡块具有良好的弯曲性能高延性混凝土又被称为“可弯曲的混凝土”,其变形能力可达普通混凝土的2 0 0 倍。在抗剪实验中，当剪切力达到一定程度后普通混凝土防震试块断裂。而高延性混凝土抗震挡块，在受到相同的剪切力时与原完整试块相比，会有分散而细密的裂缝,产生很明显的弯曲而不断裂，呈现良好的弯曲性能。4.2.4高延性混凝土的其他性能1)耐火性：在高温下纤维会溶解，从而构成水蒸气的迁一普通混凝土移通道，使挡块中蒸气压得到释放，防止水泥基体的合成和-高延性混凝土破坏。2）良好的环保性能：高延性混凝土纤维加强水泥基复合材料可掺入粉煤灰替代水泥，减少粉煤灰空气的污染3579撞击次数/次Vol.49,No.9September,20235结论根据试验现象，若采用高延性混凝土制作防震挡块，当地震冲击力较小时，挡块有足够的刚度起到抗震作用。在短时间的地震作用下,相同强度等级（C50）的高延性混凝土抗震挡块的抗撞击能力是普通混凝土抗震挡块的1.4 1.6倍；在长时间的地震作用下，相同强度等级（C50）的高延性混凝土抗震挡块的抗撞击能力是普通混凝土抗震挡块的1015倍，很好地体现了高延性混凝土能够通过产生变形释放能量，起到缓冲作用，改善防震效果的作用。ID:015510参考文献：1王明栓，基于性能的桥梁抗震挡块设计方法 D.重庆：重庆交通大学,2 0 2 1.2吴文朋，周权，张红运.桥梁结构抗震挡块的研究现状与展望J.地震工程与工程振动，2 0 2 0,40（1）：10 3-12 0.3张泽洲.2 0 m标准跨径桥梁抗震挡块的设计研究 D.兰州：兰州交通大学，2 0 19.4张凌.桥梁抗震挡块研究进展 J.四川水泥，2 0 17,39（9）：2 4.5杨鹏.桥梁抗震挡块设计研究 J.甘肃科技，2 0 16,30（10）：101-103.6刘营.新型钢筋混凝土挡块抗震性能试验与数值分析研究D.重庆：重庆交通大学,2 0 17.7叶四桥.隧道洞口段落石灾害研究与防治【D.成都：西南交通大学,2 0 0 8.8中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计规范：JTGT2231012020S.北京：人民交通出版社.2 0 2 0.9凌邦国.碰撞过程中碰撞力定量计算 J.南通工学院学报，2001,19(4):7 9.10叶四桥,陈洪凯,唐红梅.落石冲击力计算方法 J.中国铁道科学,2 0 10,31(6):56-6 2.:167.