预制拼装混凝土桥墩抗震性能拟静力循环加载试验.pdf

第 3 2卷 第 l 期 2 0 1 5年 1月 建筑科 学与 J o u r n a 1 o f Ar c h i t e c t u r e 工程学报 a n d C i v i l En g i n e e r i n g Vo 1 3 2 No 1 J a n 2 0 1 5 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 5 ) 0 卜0 0 4 2 0 9 预制拼装混凝土桥墩抗震性 能拟静力循环 加载试验 布 占宇 ， 吴威 业 ( 宁波大学 建筑工程与环境学院 ， 浙 江 宁波3 1 5 2 1 1 ) 摘要 ： 为 了研 究预 制拼装桥 墩 与 整体 现 浇桥墩 抗 震性 能方 面 的 差 异 ， 以 常 见城 市 高架桥 为 工程 背 景 ， 制作 完成 了 3个缩尺 比为 1： 3 5的试件 模型 ， 进 行 了整 体现 浇桥墩 和 无 粘 结预 应 力 钢 绞线 预 制拼 装桥 墩拟 静 力循环 加 载试验 。通过 给墩 顶施 加 强 迫往 复位 移 ， 从 5个 方 面研 究 了预 制拼 装 桥 墩 与整 体现 浇桥墩 抗震 性 能的差 别 ， 并对试 验 结果进 行 了纤维模 型计 算分 析 。结果表 明： 无粘 结预 应 力预 制拼装 混凝 土桥 墩混 凝土破 坏 轻微 ， 耗 能能力较 弱 ， 残余 位移 小 ， 适 合低 烈度地 区； 无粘 结预 应 力带耗 能钢 筋预 制拼 装混 凝土桥 墩墩 底 混凝 土有 明显压碎 ， 耗 能 能力 强 ， 残余 位移相 对 于钢 筋混 凝 土现 浇桥 墩 较 小 ， 适合 中高烈度 地 区。 关键 词 ： 预制拼 装 混凝 土桥墩 ； 拟 静 力 ； 循环 加载 ； 抗 震性 能 中图分 类号 ： TU3 1 1 文献标 志码 ： A Ex pe r i me nt o n S e i s mi c Be ha v i o r o f Pr e c a s t S e g me n t a l Co n c r e t e Br i d g e Pi e r s Un d e r Qu a s i S t a t i c Cy c l i c L o a d i n g BU Zh a n Yu，W U W e i y e ( Fa c ul t y o f Ar c hi t e c t ur a 1 ，Ci vi 1 Engi ne e r i ng a nd Env i r o nme nt ，Ni ng bo Uni ve r s i t y， Ni n g b o 3 1 5 2 1 1 ，Z h e j i a n g ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o s t u d y t h e di f f e r e nc e of s e i s mi c b e ha v i or of p r e c a s t s e g m e nt a l b r i dg e pi e r s a n d i nt e gr a l c a s t i n s i t u b r i d ge pi e r s ，t hr e e 1：3 5 s c a l e s pe c i m e ns we r e f a br i c a t e d a c c o r di n g t o t h e ur b a n v i a d uc t br i dg e pr a c t i c e The i nt e gr a l c a s t i n s i t u a n d u nb on de d p r e s t r e s s pr e c a s t s e gme n t a l b r i dg e p i e r s pe c i m e ns we r e u s e d f o r qu a s i s t a t i c c yc l i c l oa di ng t e s t Th e s e i s mi c be ha v i o r d i f f e r e nc e s o f pr e c a s t s e g m e nt a l br i d ge pi e r a n d i n t e gr a l c a s t i n s i t u br i d g e p i e r we r e i nv e s t i g a t e d i n f i v e a s p e c t s t hr o ug h i mpo s i n g c y c l i c d i s pl a c e me nt o n t he c o l u m n t o p The t e s t r e s u l t s we r e a l s o c o mp a r e d wi t h f i b e r mo d e l c a l c u l a t i o n r e s u l t s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e unb o nd e d p r e s t r e s s i n g p r e c a s t s e gme n t a l c o nc r e t e pi e r s ha ve m i no r d a ma ge， l owe r e ne r gy di s s i p a t i on，l i t t l e r e s i du a l d i s p l a c e me nt ，a nd a r e f i t t e d f o r l o w e a r t hq ua ke i nt e n s i t y a r e a The u nb on de d p r e s t r e s s i n g pr e c a s t s e g me nt a l c o nc r e t e pi e r s wi t h e ne r g y d i s s i pa t i on ba r s s h o w o bv i o us c o nc r e t e c r us h，h i gh e r e n e r gy di s s i p a t i o n，r e l a t i ve l y l o we r r e s i du a l d i s p l a c e me nt c o m p a r e d wi t h m o no l i t h i c r e i n f o r c e d s t e e l c o nc r e t e p i e r s ，a nd a r e f i t t e d f or mod e r a t e t o hi gh e a r t hq u a ke i nt e ns i t y area Ke y wo r d s：p r e c a s t s e g m e nt a l c on c r e t e b r i dg e pi e r；qu a s i s t a t i c；c y c l i c l oa d i n g；s e i s mi c b e ha v i or 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 9 基金项 目： 国家 自然科学 基金项 目( 5 1 2 0 8 2 6 8 ) ；国家山区公路工程技术研究 中心开放基金项 目( G S G Z J 一 2 0 1 2 0 4 ) 近海 冲击与安全工程 浙江省重 中之重学科开放基金项 目( Z J 1 2 2 4 ) ； 宁波大学科研项 目( XY L1 2 0 0 2 ) ； 宁波大学学科建设项 E l ( X KI 1 4 D2 0 7 0 ) 作者简介 ： 布 占字( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 山东聊城人 ， 副教授 ， 工学博士 ， E ma i l ： b u z h a n y u n b u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 布 占宇， 等 ： 预制拼装混凝土桥墩抗震性能拟静力循环加载试验 4 3 0 引 言 目前 桥 梁 施 工 中 ， 由于施 工 工 期 或施 工 场 地 的 限制 ， 希望 在短 时 间 内完工 ， 并且 尽 量减 少现 场作 业 工作量 ， 现场浇筑施工很难满足这种需要 ， 预制拼装 施 工 能适应 这 种需 求 ， 因 而 预制 拼 装 结 构 的设 计 和 抗 震研 究越 来 越受 到 重视 。从 中 国的桥 梁工 程 预制 施 工应 用来 看 ， 预 制拼 装箱 梁 的技术 相对 成 熟 ， 而预 制 拼装 桥墩 则 处 于发 展 阶段 ， 并 且 从 梁 式 桥 抗 震 的 角度来 看 ， 地震 作 用 下 桥 梁 上 部结 构 一 般 发 生 整 体 刚体 位移 ， 较 少发 生破 坏 ， 桥墩 则 由于传 递 和承受 地 震地面运动激励 ， 因此是桥梁抗震设计的重点。 He we s等 进 行 了无 粘 结 预 应 力 预 制 拼 装 桥 墩 拟 静力 试 验 ， 底 部 首 节 段 外 包 钢 管 ， 研 究 了 高 宽 比、 钢管厚度 、 预应力张拉应力等因素对抗震性能的 影 响 。Ou等 进 行 了无 粘 结 预应 力 带 耗 能钢 筋 预 制 拼 装桥 墩拟 静力 试 验 研 究 ， 主要 参 数 包 括 耗 能 钢 筋材 料 和耗 能钢筋 无 粘结 长度 ， 研 究发 现 ， 耗能 钢筋 适 当的无 粘 结 长 度 能 延 缓 钢 筋 的 疲 劳 断 裂 。葛 继 平 通 过试 验研 究 了矩 形截 面 预制 拼装 混凝 土桥 墩 的抗震 性 能 ， 考虑 的 因 素 包 括 预应 力 筋 的布 置 位 置 和存 在 方 式 、 附加 耗 能 装 置 等 。B u等 基 于 截 面 弯矩一 曲率分 析 ， 建立 了预制 拼装 桥 墩推 倒 分 析 的简 化 计 算方 法 ， 考虑 了混 凝 土 、 钢 筋 、 预应 力 筋 非 线 性 特 性 以 及 耗 能 钢 筋 无 粘 结 长 度 。B u等 I 6 。 基 于 O p e n S e e s 纤 维 模 型 进 行 了 预 制节 段 拼装 桥 墩 中耗 能钢 筋配 筋率 、 预 应力 筋 配筋率 、 预应力 筋 张拉 控制 应 力 、 恒 载轴 压 比 、 剪跨 比和预 应力 筋粘 结情 况 等参 数 分 析 ， 比较 了推 倒 分 析 和 规 范 的抗 剪 强度 设 计 计 算公式的计算 结果 。B u 研 究了预制节 段拼装桥 墩 中部分 耗 能钢 筋用 等截 面积 碳纤 维筋 代 替 时的抗 震性能 ， 结果 表明 ， 碳纤 维筋能 提高桥墩侧 向承载 力 ， 增大有效刚度 ， 同时降低等效粘滞阻尼 比和能量 耗 散 ， 时 程分 析结 果表 明 ， 碳纤 维筋 能帮 助 桥墩 在较 大地 面 运 动 强 度 地 震 作 用 下 不 致 倒 塌 。B i l l i n g t o n 等L 9 开展了延性纤维加筋水泥基复合材料用于预制 节段 拼装 桥墩 塑 性 铰 区 域 的抗 震 性 能 拟 静 力 试 验 ， 结 果 表 明 ， 这 种复 合 材 料 预 制 拼装 桥 墩 与 常规 混 凝 土 预制拼 装 桥墩 相 比具 有更 多 的能 量 耗 散 能 力 ， 并 且 在 反复 拉压 荷 载作 用下 保持 了较 好 的完 整性 。 欧美国家 自2 0世纪 6 0年代就开始 了大量预制 拼 装桥 梁下 部 结构 的 工程 应用 ， 如 1 9 7 1年美 国德 克 萨斯 C o r p u s C h r i s t i J F K 堤 道 桥 、 北 卡莱 罗 纳 L i n n C o v e高架 桥 、 德克 萨 斯奥斯 汀 美 国 国家 1 8 3号 高 速 公路桥 、 2 4 9号州高速公路休斯敦 L o u e t t a街桥 、 科 罗拉 多 Va i l 通 道 桥 、 1 9 9 6年 英 国塞 文 二 桥 引 桥 、 1 9 9 4年丹麦大贝尔特海峡大桥 、 丹麦一瑞典厄勒海 峡双层公路铁路两用桥等。中国节段拼装桥墩的使 用是从东海大桥开始， 后来上海长江大桥 、 杭州湾跨 海大 桥及 舟 山大 陆连 岛工程 的金 塘 大桥也 陆续 大量 使 用 ， 以适 应 海上施 工 空 间狭小 、 气候 恶劣 的施 工条 件 。根据 初步 设计 方 案 ， 正在 建 设 的港 珠 澳 大桥 也 将 采 用节 段拼 装桥 墩 。 预 制拼 装 桥 墩 由于构 件 连 接 的需 要 ， 一 般 设 置 部分 或全 预应 力钢 筋构 造 。本文 通 过 3 个 缩 尺 比为 1： 3 5的圆形截 面现浇混凝土桥墩 和无 粘结 预应 力预 制拼 装桥 墩 拟静 力 试 验 ， 比较 现 浇 桥 墩 和 预制 拼装 桥墩 的承载 力 、 延 性 、 耗能 、 损 伤等抗 震特 性 ， 为 此类 桥墩 的工 程应 用 提供 技术参 考 。 1 试验概 况 1 1试件 简介 试 验 设 计 制 作 了 3个 圆形 截 面 混 凝 土桥 墩 试 件 ， 分别 为钢 筋混 凝土 现 浇桥 墩 ( 试 件 1 ) 、 无 粘 结 预 应力钢绞线预 制拼装桥墩 ( 试件 2 ) 、 无粘结预应力 钢绞线带耗能钢筋预制拼装桥墩 ( 试件 3 ) 。整体现 浇桥 墩 为在工 地 分步依 次 浇筑 承 台 、 墩 身 、 盖 梁形成 桥墩 ； 预制拼装桥墩是在工地浇筑好承台、 墩身和盖 梁等 部件 ， 运 至实 验室 张拉 钢绞 线 ， 然后穿 耗 能钢筋 灌浆拼装而成 。桥墩试件 由承台、 墩身和盖梁组成 ， 承 台尺 寸均 为 1 5 0 0 mm1 0 0 0 mm6 0 0 mm， 墩 柱截 面直 径均 为 3 5 0 mm， 墩高 1 6 0 0 mm， 墩底 距墩 顶加 载点 距离 1 8 5 0 mm。现 浇桥 墩 墩 高 范 围 内 为 整体 ， 预制 拼 装桥 墩墩 高分 为 4个 预 制节 段 S 1 ， S 2 ， s 3 ， s 4 ， 每个节段 高 4 0 0 mm， 盖梁 为 5 0 0 mm5 0 0 i n to5 0 0 mm 的 立 方 体 ， 承 台 、 墩 身 、 盖 梁 均 采 用 C 4 0混凝 土。整体 现 浇桥墩 纵筋采用 1 0 4 1 2 HR B 3 3 5 带 肋普 通 钢 筋 ， 无 粘 结 预 应 力 预 制 拼 装 桥 墩 一 个采 用 3 1 2 7无粘 结钢 绞 线 ， 另 一 个采 用 3 1 2 7 无粘 结 钢 绞 线 加 6 4 1 2 HRB 3 3 5粘 结 带 肋 普 通 钢 筋 作为 耗 能 钢 筋 ， 墩 柱 箍 筋 直 径 为 6 mm， 底 部 4 0 0 mm 范围内层距为 5 0 mm， 其余部分层距为 8 O mm， 3个试 件 的 构 造 和设 计 参 数 分 别 如 图 1和 表 1所 示 ， 其 中 P 为荷 载 。 试验采用 C 4 0商品混凝土， 钢绞线采用江阴华 新钢缆有限公 司生产的 1 2 7预应力混凝土用钢 绞线 ， 预应 力 钢绞线 为 无粘 结 ， 耗 能钢 筋灌 浆采 用杭 州 泰正建材有限公司生产的C GM T5 0 标准型高强 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 建筑科 学与工程 学报 2 0 1 5丘 l一 Q - l f a ) 整 体现 浇 桥 墩 Q Q I 1 Q 1 f C 1 预制 拼 装 桥墩 1 0 fl l 2 f 通 长钢 筋 1 ； ( b1 试 件I 的A- A截 面 f d ) 试件2 的B B截 面 6 生1 2 ( 节 段 内部钢 筋) ( e 试 件3 的B - B 截面 图 l试件构造 ( 单位 ： mm) Fi g 1 Co n f i g u r a t i o n o f S p e c i me n s( Un i t ： mm) 表 1试 件 设 计 参 数 Ta b1 De s i g n Pa r a me t e r s o f Sp e c i me n s 普通钢筋 钢绞线配 耗能钢筋 预应力 有效预应 试 件 编 号 配筋率 筋率 配筋率 k N 力 MP a 1 1 1 7 2 0 3 1 2 9 6 1 1 0 () 0 3 0 3l 0 71 2 9 6 1 1 O O 0 无 收缩 灌浆 料 ， 与水 拌 和制作 成浆料 ， 预 应力 钢绞 线 和耗 能钢 筋管 道均 采 用 外 径 5 5 、 壁 厚 t 一1 mm 的 无缝 钢管 ， 混 凝 土 ( 1 5 0 mm1 5 O mm1 5 0 r n m 立 方体 ) 、 灌 浆 材 料 ( 7 0 mm 7 0 mm 7 0 mm 立 方 体) 、 箍筋 、 纵筋、 节段 内部纵筋、 耗能钢筋和预应力 钢 绞线材 料 的力 学性 能如 表 2所示 。 1 2试验 加载 试验加载采用位移控制方式， 每级 2次循环加 载 ， 开 始 的侧移 幅值 为 0 1 ， 0 2 ， 0 3 ， 0 5 ， 07 5 ，1 ，1 5 ， 2 ，2 5 ， 3 ，3 5 ， 4 ， 4 5 ， 5 ， 6 ， 7 ， 侧移幅值从 0 至 0 7 5 时位 移 加 载 速 度 为 0 5 mr r ls ， 侧 移 幅 值 从 1 至 表 2材 料 力 学 性 能 Tab 2 M e c ha n i c a l Pr o pe r t i e s o f M a t e r i a l 材料类型 屈服强度 MP a 极 限强度 MP a 混 凝 土 4 4 2 无收缩灌浆料 4 3 7 箍 筋 5 5 0 0 6 8 5 0 现浇 纵 筋 4 8 8 4 6 2 8 9 节段纵筋 4 8 8 4 6 2 8 9 耗能钢筋 3 0 8 0 4 3 1 3 钢 绞线 1 6 7 4 5 1 8 5 4 1 2 5 时位 移 加 载 速 度 为 l mm s ， 侧 移 幅 值 从 3 至 4 5 时位移加载速度 为 1 5 mm s 一， 侧移 幅值从 5 至 7 时位 移加载 速度 为 2 mm s ， 位 移 传感 器 MTS采 集 数据 频 率 均 为 2 Hz ， 应 变 箱 加 载采集 数据 频率 为 0 2 Hz 。加载 制度 见 图 2 。 吕 吕 * 循 环 加 载 次 数 图 2加 载 制 度 Fi g 2 Lo ad i n g S y s t e m 1 3数 据采 集 数 据 采 集 系统 测 试项 目包 括 ： 墩 顶 位 移 和墩 底剪力 由 MT S系统 记 录 ； 各 个 节 段 接 缝 的位 移 和转 角 由江 苏 溧 阳产 YHD 一 3 0型 和 YHD 一 5 0型 位 移计 测 量 ， 连 接东华 静 态应变 测试 仪存储 数 据 ； 塑 性铰区域的曲率由位移计测量位移后计算得到； 塑性 铰 区域混 凝 土应变 、 耗 能钢筋 应变 、 预应 力筋 应 变 、 箍筋 应变 和节 段 内部 纵 筋 应 变 都通 过 电 阻应 变 片测量 ， 其 中钢 筋 和 预 应 力 筋 上 采 用 B X1 2 O 一 3 AA 应 变 片 ， 混凝 土 表 面采 用 B X1 2 O l O O AA 应 变 片 ， 通 过东华 静态 应变 测试 仪存储 数据 。 2试件拟静力循环加载结果分析 2 1加载试 验 结果 本文试验 是 以墩顶 位移作 为 控制 荷载 ， 利 用 MT S液压 伺服 施 加 水平 荷 载 。试 验 终 止 条 件 一 般 按 最大 侧移 幅值 为 7 控 制 ， 并根 据 试 件试 验 情 况 ， 当发 生倒 塌危 险时 提前 中断试 验 。试 验 加载装 置 如 图 3所示 ， 试件 的破 坏形 态如 图 4 所 示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 5血 压碎 ； 第 2阶段侧移幅值为 3 7 ， 加载至 3 9 6 侧 移幅值 时 s 1节段 与底部承 台接缝张开 ， s 1节段底 部局部混凝土压碎 ， 但破坏程度较小， 直至最大侧移 幅值 为 7 时试验 终止 ， 混凝 土 破 坏情 况 为 s 1节段 顶部 开裂 严重 ， S l 节 段底 部 轻微 开 裂 。原 因可 能 与 接缝 浇筑 质量 有 关 ， 由于 S 1 一 S 2节 段 接 缝 的 接触 不 平整 ， 首先 形成 转动 点 ， 导 致混 凝土 局部 压溃 。随着 水平荷 载 的增 大 ， $ 1 - $ 2节段 接 缝 的接 触 变 得 紧密 ， 承 台与 s 1 节 段 接缝 由 于弯 矩 较 大 而 张 开 ， s 1节段 底部局 部混 凝 土形 成微 裂 缝 。整 个加 载过 程 S 2 一 S 3 节段 接缝 和 S 3 一 S 4节段 接缝 都未 明显 张开 。卸 载后 墩身能 自动复位 ， 基本无残余位移 ， 如图 4 ( b ) 所示 。 2 2 3 无粘 结预 应 力钢 绞 线 带 耗 能钢 筋预 制 拼 装 桥 墩 试 件 3无粘 结 预应力 钢绞 线带 耗能 钢筋 预制拼 装 桥墩 的破 坏集 中在 S 1 节 段 底部 ， 在 1 侧 移 幅值 后 出现 墩底 与 S 1 节 段接 缝张 开和 局部混 凝 土压碎 ， 随着位 移 的增大 ， 混凝 土 压碎 的程 度不 断增 大 ， 直 至 两 侧混 凝 土压碎 的范 围接 近贯 通 ， 耗 能钢 筋 断裂 ， 承 载 力显 著下 降 ， 整 个过 程 S 1 S 2节 段 接 缝 、 S 2 一 S 3节 段 接缝 和 S 3 一 S 4节 段接 缝 都未 明显张 开 ， 如 图 4 ( c ) 所 示 。 2 3滞 回特性 3个试 件 的 拟 静 力 循 环 加 载 水 平 荷 载一 侧 移 滞 回曲线 如 图 5 所 示 。利用 Op e n S e e s 建 立 了纤 维梁 柱 单元 模 型 ， 模 拟拟 静力 循环加 载试 验 。 试件 1 ( 钢筋混凝土整体现浇桥墩) 的滞 回曲线 如 图 5 ( a ) 所 示 ， 水 平荷 载一 侧移 曲线 的特 点是 残余位 移 较大 ， 侧 移幅 值为 6 时 出现 了受拉 钢 筋 断 裂 ， 导 致承载力骤然降低。每级加载滞回环包围的面积越 大 ， 耗 能能 力越 强 。纤 维 梁 柱 模 型 的数 值 模 拟 结 果 与试 验 结果 相差 较 大 ， 主要 是 由于其 没 有 反 映 随着 加 载循 环次 数 的增 多 ， 加 载 、 卸 载 刚度 的降低 。 试 件 2 ( 无粘结 预 应力 预制 拼装 混 凝 土 桥墩 ) 的 滞 回曲线 如图 5 ( b ) 所示 。 由于 无 粘 结 预 应 力 筋设 置 在 圆形截 面 的 中心 ， 接 缝截 面边 缘无钢 筋通 过 ， 因 此桥墩的承载力 较低 。在桥墩弯 曲时 ， 无粘结预应 力 筋均 匀伸 长 ， 避免 了应 力集 中， 为 桥墩 提供 了 白复 位 能力 。桥墩产 生 屈服 的原 因是墩 底受 压边 缘 昆凝 土压碎 ， 侧 移较 快增 大 ， 承载 力缓慢 增加 ， 刚 度降低 。 可 以看 出 ， 由于缺 少钢筋 的屈 服耗 散能 量 ， 每个荷 载 循 环 的滞 回环 面积 较小 ， 桥墩 的耗 能能 力较 低 ， 残 余 位移 较小 。 试件 3 ( 无 粘 结 预 应 力 预 制 拼 装 混 凝 土 带 耗 能 Z 耀 茸 Z 辎 耀 侧移 ram ( b ) 试件2 图 5 试件水平荷载- 侧移 曲线 Fi g 5 Ho r i z on t a l Lo ad l a t e r a l Di s pl a c e m e nt Cu r v e s o f S pe c i me ns 钢筋 桥墩 ) 的滞 回曲线如 图 5 ( c ) 所 示 。与试 件 2相 比 ， 由于 增加 了 6根 HRB 3 3 5 l 2钢 筋 ， 水 平 承 载 力 提 高 ， 循 环加 载 的滞 回环 面积 增 大 ， 耗 能 能 力 提 高 ， 残余 位移 略有 增大 。 试件 1和试 件 2的水平 承载 力 基本 相 同 ， 试 件 3是在 试件 2的基础 上增 加 了通 过接 缝 的有 粘 结 普 通钢 筋 ， 即耗 能钢 筋 。试 件 3的 承载 力 比试 件 l或 试件 2的承载 力提 高约 6 7 。 2 4滞 回环 和 能量 节段 拼装 桥墩 在循 环荷 载作用 下 的反应 为滞 回 响应 ， 滞 回系统 每个 滞 回环 的等 效 粘滞 阻 尼 比 可 以表示 为 一 Ah Ah ， 1、 一 一 47 r A , , V - _ 1 2 ( I l + I V 1 ) ( 2 ) 一1 2 ( I l + I I ) ( 3 ) 式 中 ： A 为一 个完 整力一 位 移 滞 回环 的面 积 ， 即耗 散 能量 ； V ， 分 别 为平 均 最 大 荷 载 和 平 均 最 大 位 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 布 占宇 ， 等 ： 预 制拼 装 混凝 土桥墩 抗 震性 能拟 静 力循 环 加载 试验 4 7 移 ； A 为 具 有 等效 刚度 忌 的线 弹 性 系 统 的 弹 性 应 1厂 变 能 ， 忌 一 ； ， Vm 分别 为 某一 位 移处 正 向 最 m 大 水平 荷 载 和负 向最 大 水 平 荷 载 ； ， A 分 别 为 正 向最 大侧 移 和负 向最 大侧 移 。 滞 回曲线 是 在 整 体 上 表 示 桥 墩 的水 平 荷 载一 侧 移关系， 为 了更深入地研究 3种桥墩的水平荷载一 侧 移 关 系 ， 抽 取侧 移 幅值 1 ， 3 ， 5 ， 绘 制 各 桥 墩 在 这些侧移幅值处的水平荷载一 侧移滞 回曲线 ， 分别如 图 6 -8所 示 。每个 滞 回环 均包 括 2个荷 载循 环 ， 试 件 1和试 件 3两次 荷 载 循 环 的刚 度 退 化 较 明显 ， 试 件 2则基 本无 刚度 退化 。试 件 1 滞 回环 包 围的面 积 最大 ， 试件 2 滞 回环包 围的面积 最小 。 Z 枢 ； 卜 Z 枢 侧 移 mm C a ) 侧 移 幅值 为 1 侧 移 ram f b ) 侧 移 幅 值 为3 侧 移 ram ( c ) 侧 移 幅值 为5 图 6试 件 1滞 回环 Fi g 6 Hy s t e r e s i s Ci r c l e s o f Sp e c i m e n 1 图 9为各桥 墩 在不 同侧 移处 的应 变 能和 能量 耗 散 比较 ， 能 量值 均 为 同一 最 大 位 移 处 2个 荷 载 循 环 的平均值。由图 9可以看 出： 试 件 1和试件 2应变 能 基本 相 同 ， 均 小 于试件 3的应 变能 ； 能量 耗散 在侧 移 较小 时 3个 桥墩 基本 一致 ， 在 3 侧 移 幅值 时 ， 试 件 2的耗 能最低 ， 试 件 3的耗 能最 高 ， 而 在 5 侧 移 Z 榻 控 妥 Z 超 侧 移 ram ( a 1 侧 移 幅 值 为1 侧移 ram f b ) 侧 移 幅值 为3 侧 移 ram r c 1 侧 移 幅 值 为5 图 7试 件 2滞 回 环 Fi g 7 Hy s t e r e s i s Ci r c l e s of S pe c i me n 2 幅值时， 试件 1的耗能最高。应变能与刚度有关 ， 能 量耗散则与塑性位移 、 钢筋粘结一 滑移 、 混凝土压碎 等 损 伤有关 ， 表 明试 件 3的 刚度在 3个 桥墩 中最 大 ， 试 件 l损伤 最严 重 ， 耗能 能力 最强 。 2 5等效 刚 度 在 拟静 力循 环加 载 过程 中 ， 随着混 凝土 压碎 、 钢 筋 粘结一 滑移等 结构 损伤 的发 生 ， 结 构 刚度 在不 断 下 降 ， 因此从 结构 等效 刚度 可 以看 出结构 损伤 的情 况 ， 各 试件 等效 刚度 对 比如 图 1 0所 示 。试件 1 在 0 1 侧 移 幅值 时 初 始 刚度 为 2 5 k N mm， 在 7 侧 移 幅 值时 刚度 为 O 2 5 k N I T I 1 T I ； 试 件 2在 0 1 侧 移 幅 值时初 始 刚 度 为 4 0 k N I T I I T I ， 在 7 侧 移 幅值 时 刚度 为 0 2 5 k N mm； 试 件 3在 0 1 侧 移 幅 值 时 初始 刚度 为 6 0 k N r f l 1T I ， 在 7 侧 移 幅值 时 刚 度 为 0 4 0 k N mm。从 以上结 果可 以看 出 ， 钢 筋 混 凝 土桥 墩初 始刚 度较 小 ， 无 粘结 预 应 力 桥 墩 初 始 刚 度 较大 ， 而 配置 了附 加 耗 能 钢筋 以后 初 始 刚 度 和 最 终 刚度都 有 较大 幅度 的提 高 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 建 筑科 学与 工程 学报 2 O 1 5丘 Z 稼 妲 孚 * 侧移 m m ( a ) 侧 移幅 值 为1 侧 移 ram f b 1 侧移 幅 值 为3 l 2 5 2 0 兰 1 5 l 0 O 5 O 侧移 mm ( c 、 侧 移幅 值 为5 图 8试件 3滞回环 Fi g 8 Hy s t e r e s i s Ci r c l e s o f S pe c i me n 3 E j J b崩 I 0 5 1 0 3 0 5 0 侧 移 幅 值 图 9 能 量 比 较 Fi g 9 Co m pa r i s o n o f En e r g y 2 6等效 粘滞 阻尼 比 3个试 件 的等效 粘滞 阻尼 比随侧 移 幅值 的变化 如图 1 1 所示 。从图 1 1可以看出 ： 试件 1初始等效 粘 滞 阻 尼 比 为 1 3 6 ， 最 小 等 效 粘 滞 阻 尼 比 为 5 8 ， 6 侧 移 幅 值 时 等效 粘 滞 阻 尼 比为 2 2 7 ； 试件 2初始 等效 粘滞 阻尼 比为 1 1 3 ， 最小 等 效 粘 滞阻尼比为 4 6 ， 6 侧移幅值时等效粘滞 阻尼 比 为 5 0 ； 试件 3初 始等 效粘滞 阻尼 比为 1 0 9 ， 最 小等效粘滞阻尼 比为 5 5 ， 6 侧移幅值时等效粘 图 l 0等效刚度 Fi g 1 0 Ef f e c t i v e St i f f ne s s 图 1 1 等效粘滞阻尼比随侧移 幅值 的变化 Fi g 1 1 Va r i a t i on s o f Ef f e c t i v e Vi s c o u s Da m pi n g Ra t i o wi t h La t e r a l Di s pl a c e me nt 滞阻 尼 比为 9 7 。从 图 1 1还 可 以看 出 ： 钢筋 混 凝 土整 体 现 浇 桥 墩 等 效 粘 滞 阻 尼 比最 大 ， 平 均 值 为 1 2 4 ； 无粘 结 预应 力 预 制拼 装 桥 墩 等效 粘 滞 阻 尼 比约 为 6 1 ， 增 设 耗 能钢 筋 后 等 效 粘 滞 阻 尼 比提 高到 7 5 。这说 明无粘 结 预应 力钢 绞 线 预制 拼 装 桥墩 中耗 能钢筋 提 供 了额 外 的阻 尼耗 能 ， 同时 由于 试件 3应 变能较 大 ， 滞 回耗 能与 试件 1 相 当 ， 阻尼 比 仍然 比试 件 1小 。 2 7 耗能分 析 3个试 件 的累积 能量耗 散 如 图 1 2所 示 。6 侧 移 幅 值 时 试 件1的 累 积 能 量 耗 散 为 3 4 0 6 0 1 k N IT I I T I ， 6 侧移 幅值 时试件 2的累积 能量 耗散 为 1 1 1 5 8 4 k N I n lT l ， 6 侧移 幅值 时试件 3的累积能 量 耗散 为 3 0 4 6 6 3 k N miT t 。从 上 述 数 据 可 以看 出 ， 试 件 1 钢 筋混 凝 土桥 墩 在 3个桥 墩 中耗 能 能力 是最强 的 ， 试 件 2无 粘结 预 应 力 预制 拼 装 桥 墩耗 能 能力最低 ， 试件 3无粘结预应力带耗 能钢筋预制节 段拼装 桥墩 耗能 能力 在 4 5 侧 移 幅值 之 前高 于 钢 筋混凝 土桥 墩 ， 在这之 后则 稍低 于钢筋 混凝 土桥墩 。 总体而言 ， 试件 3与试件 1的耗能能力相当， 增加的 通过 节段 接缝 的有粘 结耗 能钢筋 大 幅改善 了桥墩 受 力性 能 。 2 8 损 伤 比较 损伤 模 型 采 用 P a r k等 建议 的 指标 模 型 ， 结 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 布 占宇 ， 等 ： 预 制拼 装 混凝 土桥 墩抗 震性 能拟 静 力循 环加 载试验 4 9 图 1 2 累 积 能 量 耗 散 Fi g 1 2 Ac c u m ul a t i v e Ene r g y Di s s i p a t i o n 构损 伤表 达 为最 大位 移 引起 的损 伤和往 复循 环 加载 滞回耗能引起 的损伤 的组合 。损伤指数 D可 以表 示 为 D 一 + F J d E ( 4 ) 式中 ： 为动力加载最大位移 ， 取每 级循 环加 载最 大 位移 ； 取 P u s h o v e r 分 析 的结 果 ， 其 中混 凝 土 采 用 Ke n t S c o t t P a r k模 型模 拟 ， 耗 能钢 筋 和预 应力 筋 用 Gi u f f r e Me n e g o t t o P i n t o模 型 模 拟 1 。 ； d E 为 滞 回耗 能增 量 。 ，F ， 与 加 载 历 史 无 关 ， 弹 性 阶段 损 伤 指 数 D 为很 小 的值 ( 接 近 0 ) ， 破 坏 极 限状 态 D一1 。在破 坏极限状态 ， D一1 ， 取试 验数据最 大位移 ，I d E 取计算至 处的累积能量耗散 ， 则可 以得到各桥墩 的 值 ， 结 果 如表 3所 示 。 单 调 加 载计 算 的破 坏 准 则 为 ： 混 凝 土 压 应 变 大 于 约 束 混 凝 土 极 限 压 应 变 E r I】 1 ， 0 0 0 4 + ， 为 体 积 配 箍 率 ， f 为 箍 筋 屈 服 强 度 ， J C C 为箍筋极 限应 变， 为约束 昆凝 土极 限抗压 强 度 ； 纵筋 ( 耗 能 钢 筋 ) 应 变 大 于 其 极 限 应 变 ( 一 0 1 8 ) ； 预 应 力 筋 应 变 大 于其 极 限 应 变 ( 。 一 0 0 4 5 ) 。单 调 加载计 算 结果 表 明 ， 试 件 1最 终破 坏 形 式为 钢筋 拉 断 ， 试 件 2破坏 形式 为混 凝 土压 碎 ， 试 件 3破 坏形 式 为钢筋 拉 断 。 试 验 的水 平 荷 载一 侧 移 骨 架 曲线 和 理 想 线 性 化 骨架曲线如图 1 3所示 ， 损伤指数 D变化如图 1 4所 示 。钢筋混凝土现浇桥墩的损伤指数随着侧移幅值 的增 大增加 最 快 ， 无粘 结 预应 力 预 制 拼 装 桥 墩 开 始 时 损 伤指数 与