预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩恢复力模型.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩恢复力模型刘沐宇,)苏启航,)张强)马润平)(武汉理工大学土木工程与建筑学院)武汉 )(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室)武汉 )(中铁大桥勘测设计院集团有限公司)武汉 )摘要:文中以预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩抗震性能为研究对象,设计制备了根连接部位在墩柱内的预留灌浆孔预制拼装桥墩,开展拟静力试验,研究了锚固长度分别为 和 mm对抗震性能的影响规律结果表明:mm锚固长度预制拼装桥墩抗震性能与现浇桥墩基本一致,滞回曲线饱满,具有很好的延性根据试验数据提出了考虑钢筋锚固长度的三折线恢复力模型,模型的理论计算值与试验值吻合较好,验证了模型的有效性关键词:恢复力模型;预留灌浆孔;预制拼装桥墩;拟静力试验;抗震性能中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:刘沐宇(),男,博士,教授,主要研究领域为桥梁工程基金项目:湖北省重点研发项目(B C B )引言预制拼装桥梁的连接方式是桥梁建造中的关键技术,它不仅涉及到桥梁整体受力性能和安全耐久性能,同时对桥梁抗震性能也有重要影响近年来,国内外学者对桥墩抗震性能和恢复力模型研究取得了重要成果针对预制拼装桥墩的抗震性能开展了大量的试验研究刘沐宇等 将墩底塑性铰区混凝土用L UH P C替换进行了拟静力试验,提高了该连接方式桥墩的抗震性能来猛刚等在塑性铰区采用了组合外包钢板连接,经过试验研究表明,该种桥墩可等同现浇试件,可以满足大多数地区对桥墩抗震性能的要求D g等提出了一种新型UH P C壳加固预制混凝土柱,通过循环加载试验,研究了个全尺寸预制柱和个普通预制混凝土柱的抗震性能由于UH P C壳体的引入,预制柱柱脚局部损伤减小,与普通预制柱相比,该种柱的抗震性能可以显著提高韩强等提出了一种非线性滞回模型,考虑了强度刚度的退化、捏拢效应等效应,使用M a t l a b/S i m u l i n k实现了对钢筋混凝土桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测王震等建立了弯剪破坏钢筋混凝土矩形墩的滞回模型,在滞回规则中引入捏拢效应参数和滞回性能退化参数,描述桥墩发生弯剪破坏时出现的的捏拢效应和滞回性能退化 Y u a n等 建立了部分钢管混凝土桥墩的修正曲线近似滞回模型,该模型由一系列二次曲线和三次曲线组成,可用于精确描述悬臂型P C F S T桥墩的复杂滞回行为上述研究并未涉及针对预留灌浆孔连接桥墩的恢复力模型问题,基于此,文中设计制作了根预制拼装桥墩,采用预留灌浆孔连接方式,连接部位位于承台上方,基于拟静力试验,明确了其抗震性能,提出了三折线恢复力模型试验表明,理论计算值与试验值吻合较好,验证了模型的可靠性试验概况根据不同锚固长度,设计了个墩柱试件,个现浇墩柱和个预制墩柱墩柱的尺寸为 mm mm mm,承台尺寸 mm mm mm,其中现浇墩柱和预制墩柱的混凝土强度为C ,钢筋采用HR B ,锚固长度分别为 、mm为保险起见,还制作了两根预制桥墩,增加了承台锚固钢筋与墩柱内纵向钢筋之间的箍筋具体见表试件配筋图见图表试件主要设计参数序号 编号混凝土强度钢筋型号锚固长度/mm纵筋直径/mm箍筋直径/mm纵筋配筋率/C C HR B P C HR B P C HR B P S C HR B P S C HR B 图试件配筋图(单位:mm)对制作桥墩使用的混凝土以及钢筋等材料进行了抗压强度试验、弹性模量试验、高强灌浆料抗压强度试验以及钢筋拉拔试验测得普通混凝土立方体抗压强度为 MP a,普通混凝土棱柱体弹性模量为 MP a,高强灌浆料棱柱体抗压强 度 为 MP a,钢 筋 屈 服 强 度 为 MP a,极限强度 MP a 加载试验装置由 k N水平作动器、k N竖向作动器、门式反力架以及操作系统组成为了防止承台在水平作动器推拉过程中发生滑动和撬起,在试件承台的两侧放置压梁,并通过根 mm带螺纹的螺栓锚杆,将试件固定到地面,并在试件两侧放置工字钢和铁板,保证试件在试验过程中不发生滑移本试验采用位移控制进行加载,加载幅值为、mm之后以每级 mm增加直至试件水平荷载下降到最 大 峰 值 荷 载 的,停 止 加 载,试 验终止试验结果试验根据试验所测得的滞回曲线见图将个预留灌浆孔预制拼装试件的滞回曲线与现浇墩的滞回曲线进行对比,具有以下特点:弹性阶段基本与现浇墩比较吻合,各试件的曲线较为类似弹性阶段之后的弹塑性阶段,随着位移等级增加,各个试件的荷载增长情况出现分歧图各试件试验滞回曲线锚固位置置于墩柱内的预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩在锚固长度为 mm时具有和现浇桥墩相近的抗震性能随着锚固长度由 变化到 mm,预制拼装桥墩试件的极限承载力达到现浇桥墩试件的 ,延性达到现浇试件的 ,耗能能力达到现浇试件的 三折线恢复力模型的建立四折线恢复力模型通常包含以下四个特征点:完全弹性阶段点,也称开裂点,在这个点之前,结构的应力应变关系是线性的,这意味着结构的恢复力是按照胡克定律计算的;屈服阶段点,即屈服点,在这个点之前,结构的应力应变关系开始非线性,即结构开始发生塑性变形,恢复力逐渐减小;峰值力点,在这个点上,结构达到了最大第期刘沐宇,等:预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩恢复力模型抵抗力,也称为“峰值状态”,这个点的位置是通过进行试验测定或者基于理论计算获得的;下降段点,在峰值点过后该点之前,结构的恢复力开始下降,这是因为结构的塑性变形程度变得更加严重由于箍筋约束混凝土,本次拟静力试验的构件柱在出现裂缝后,仍然保持弹性刚度加载至下一循环,刚度变化不大,表现在骨架曲线上开裂点不明显,故认为屈服点之前,试件均处于弹性状态即简化成一种考虑下降段的三折线恢复力模型,见图图三折线骨架曲线示例 骨架曲线特征点的确定完整的骨架曲线包括下列参数:屈服荷载Py、屈服位移y、弹性段刚度K,峰值荷载Pm、峰值位移m以及弹塑性段刚度K,极限荷载Pu、极限位移u以及退化段刚度K各个特征点的确定方法及过程如下)屈服荷载计算屈服荷载要先计算墩柱端部弯矩,再利用端部弯矩计算出截面屈服荷载端部屈服弯矩计算公式为M yAsfy(ha)b hf c(ha)()(EsEc)(ah)EsEcEsEc()f cfyEcEs()式中:As为受拉钢筋截面面积;fy为钢筋屈服强度;h为截面有效高度;a为受拉钢筋中心至截面边缘距离;h为混凝土受压区高度系数;b为截面宽度;为受拉钢筋配筋率;Ec和Es分别为混凝土和钢筋的弹性模量;fc为试验构件截面屈服时混凝土的最大压应力得出端部屈服弯矩后,计算得出屈服荷载,同时考虑P 效应PyMyNyL()式中:L为计算高度,即水平加载点至梁端部的距离)屈服位移蒋欢军等 提出的塑性铰理论,计算钢筋混凝土构件在荷载下的特征位移考虑到弯曲变形、剪切变形和受拉钢筋在连接区域的伸 长引起的附 加转角位移 对端部变形 的影响,屈服位移为yy(L fydb)(h/L)()yfyEs(ky)h()ky(A EsEc)B EsEcA EsEc()A()B ()式中:y为屈服状态截面曲率;db为纵筋直径;h为截面高度;ky为屈服时的中性轴高度;为受压钢筋配筋率;h/h;h 为受压区边缘至受压钢筋中心的距离)弹性段刚度弹性段刚度指构件屈服前刚度,即屈服荷载与屈服位移的比值:KPyy()峰值荷载根据G B 混凝土结构设计规范 可知,矩形截面构件其正截面受弯承载力符合Mfcb x(hx/)f yA s(ha s)()其中:混凝土受压区高度为fcb xfyAsf yA s()式中:M为R C桥墩的截面弯矩;为系数,矩形应力图的应力值可由混凝土轴心抗压强度设计值fc乘以系数确定当混凝土强度等级不超过C 时,取为,当混凝土强度等级为C 时,取为 ,其间按线性内插法确定,fc为混凝土轴心抗压强度值;As和A s为受拉区和受压区纵向普通钢筋的截面面积;a为矩形截面的宽度;h为截面有效高度;a s为受压区纵向普通钢筋合力点至截面受压边缘的距离考虑到竖向轴力引起的P 效应,桥墩的峰值荷载为P mMFmL()式中:m为峰值位移)峰值位移 峰值位移计算公式为 m y(my)Lp(LLp/)()Lp L fydb()武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷mmmh()式中:m为峰值状态截面曲率;Lp为塑性铰长度;m为峰值状态混凝土压应变,取 ;m为峰值状态截面相对受压区高度,取 )弹塑性段刚度弹塑性段刚度定义为构件出现屈服后到到达峰值之前的阶段的构件刚度,为KPmPymy()极限荷载极限荷载一般认为是峰值荷载的,为P u P m()极限位移 uy(uy)Lp(LLp/)()uuxu()式中:u为混凝土极限应变;xu为极限状态下受压区高度)下降段刚度下降段刚度定义为构件出现峰值后到到达极限荷载之前的阶段的构件刚度,为KPuPmum()参数拟合对上述试验数据进行回归分析,得到预留灌浆孔预制拼装桥墩试件的骨架曲线特征点参数基于锚固长度的变化规律(进行拟合时考虑到不同直径的纵筋,也同试验最初设定锚固长度时一样,将锚固长度与直径做比值后再进行拟合,公式中t l/d),结果如下:)屈服荷载Py和屈服位移yPy(t t t )P y()y(t t t )y()峰值荷载Pm和峰值位移mPm(t t t )P m()m(t t t )m()极限荷载Pu和极限位移uPu(t t t )P u()u(t t t )m()采用上述计算模型计算各预制试件的骨架曲线的特征点,并与试验结果进行对比,见图由图可知:建立的基于预留灌浆孔预制拼装桥墩骨架曲线三折线模型在计算特征点参数时误差总体较小,计算值与试验值较吻合因此,该模型对不同锚固长度的预留灌浆孔预制拼装桥墩的骨架曲线特征参数计算有较好的适用性骨架曲线各参数点拟合情况见图图理论模型与试验结果骨架曲线对比图图骨架曲线各参数点拟合情况 滞回规则在三折线型恢复力模型的基础上,给出锚固位置于墩柱内预留灌浆孔预制拼装桥墩的滞回规则预留灌浆孔预制拼装桥墩滞回模型见图由图可知:加载位移小于屈服点A的位移从图中点或点卸载时,卸载线按弹性刚度的倍,即K进行卸载,并反向加载至点或点,点或点位于该循环最大荷载,继续加载,加载路径沿 或 进行,确定方法与、相同将上述理论提出的曲线与试验曲线进行对比见图第期刘沐宇,等:预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩恢复力模型图滞回规则示例图滞回曲线对比图由图、图和图可知:锚固于墩柱的预留灌浆孔连接桥墩的骨架曲线,试验曲线与模拟曲线十分吻合,在关键节点的计算上,该恢复力模型准确度较高锚固于墩柱的预留灌浆孔连接桥墩滞回曲线拟合良好曲线在第三象限有些许“捏缩”,但大致可以描述该种桥墩的滞回特性结论)锚固位置于墩柱内的预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩在锚固长度为 mm时具有和现浇桥墩相近的抗震性能随着锚固长度 由 mm变化到 mm,预制拼装桥墩试件的极限承载力达到现浇桥墩试件的 )预留灌浆孔连接预制拼装桥墩试件锚固长度为 mm时延性与耗能能力与现浇桥墩试件相近对于锚固长度为 mm的试件,其延性分别为现浇普通钢筋混凝土桥墩试件的 和 ,累积耗能分别为现浇普通钢筋混凝土桥墩试件的 和 )建立了考虑锚固长度的预留灌浆孔连接的预制拼装桥墩的三折线恢复力模型骨架曲线关键点参数拟合误差均不超过,关键点位的预测比较准确参 考 文 献刘沐宇,禹强,张强预留灌浆孔连接的预制墩台力学性能数值分析J武汉 理工 大 学学 报,():刘沐宇,程森,赵佳迅,等预留灌浆孔螺栓锚头连接方式与试验研究J武汉 理工 大 学学 报,():卢志芳,毛琳,刘沐宇预留灌浆孔螺栓锚头连接方式性能模拟及参数分析J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():刘沐宇,赵佳迅,张强,等预留灌浆孔连接的预制桥梁墩台抗震性能试验J武汉理工大学学报,():刘沐宇,伍峰,张强,等采用L UHP C增强塑性铰的预制拼装桥墩抗震性能试验J武汉理工大学学报,():来猛刚,杨敏,刘浩,等组合型外包钢板连接预制拼装桥墩拟静力试验J公路交通科技,():D GA,R XA,S YB,e t a l D e v e l o p m e n t a n ds e i s m i cb e h a v i o ro f an o v e lUH P C s h e l l s t r e n g t h e n e dp r e f a b r i c a t e dc o n c r e t ec o l u m nJT r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c hR e c o r d J o u r n a l o f t h e T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c hB o a r d,():韩强,董慧慧,郭婕考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别J振动工程学报,():王震,王景全,修洪亮,等弯剪破坏钢筋混凝土矩形墩滞回模型J中国公路学报,():YUAN H,S HE Z,WU Q,e ta l E x p e r i m e n t a la n dp a r a m e t r i c i n v e s t i g a t i o no ne l a s t o p l a s t i cs e i s m i cr e s p o n s eo fC F S T b a t t e n e db u i l t u pc o l u m n sJS o i lD y n a m i c sa n dE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g,():蒋欢军,张桦钢筋混凝土梁对应于各地震损伤状态的变形计算J结构工程师,():郑跃,郑山锁,董立国,等锈蚀钢筋混凝土柱等效塑性铰长度计算方法J中南大学学报:自然科学版,():P R I E S T L E Y M B r i e f c o mm e n t so ne l a s t i c f l e x i b i l i t yo f r e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m e sa n ds i g n i f i c a n c et os e i s m i cd e s i g nJ B u l l e t i no f t h eN e wZ e a l a n dN a t i o n a l S o c i e t yf o rE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g,():(下转第 页)武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷R e s e a r c ho nH y d r a t i o nH e a tC o n t r o lT e c h n o l o g yo fC o n c r e t eo nB e a r i n gP l a t f o r mw i t hL a r g eV o l u m eZ H UY u n s h e n g,)H U A N GY i n i n g,)L I UC h a o z h o n g)Q I N GY u j u)L A IJ u n)(S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o na n dL o g i s t i c sE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(H u b e iH i g h w a yE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r,W u h a n ,C h i n a)(S i c h u a nT r a n s p o r t a t i o nC o n s t r u c t i o nG r o u pC oL t d,C h e n g d u ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e mo f e a r l yc r a c k i n gd u e t oh y d r a t i o nh e a t a f t e r t h e c o o l i n gw a t e rp i p e i sr e m o v e d f r o mt h em a s s b e a r i n gp l a t f o r mo f t h eb r i d g e,b a s e do n t h eh y d r a t i o nh e a t r e l e a s e r a t em o d e l o f c o n c r e t e,t h e c h a n g eo f t e m p e r a t u r e f i e l dd u r i n gt h ep o u r i n go f t h eb e a r i n gp l a t f o r mw a ss i m u l a t e d T h i sp a p e ra n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo ff l ya s hc o n t e n t,p o u r i n gt e m p e r a t u r eo fc e m e n tc o n c r e t ea n de x t e r n a l i n s u l a t i o nm e a s u r e s o n t h e t e m p e r a t u r e f i e l do fm a s s b e a r i n gp l a t f o r m,a n dp u t f o r w a r d s p e c i f i c a n d e f f e c t i v e t e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e s f o r p r a c t i c a l p r o j e c t s T h e r e s u l t s s h o wt h a t f l y a s hc a ne f f e c t i v e l y r e d u c e t h e t e m p e r a t u r e o fc o n c r e t e,a n d t h ed o s a g e s h o u l db e W h e n t h ed o s a g eo f f l ya s h i s i n c r e a s e d f r o m t o ,t h e t e m p e r a t u r eo f t h e c e n t e r o f t h e p i l e c a pd e c r e a s e s b y ,a n dw h e n t h e d o s a g e i s h i g h e r t h a n ,t h ed e c l i n ed e c r e a s e s W h e n t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ed r o p p e df r o m t o,t h eh i g h e s t t e m p e r a t u r e i nt h e c e n t e r d r o p p e d f r o m t o W i t h t h e i n c r e a s e o f p o u r i n g t e m p e r a t u r e,t h e p e a k t e m p e r a t u r ew a sd e l a y e d T h e e x t e r n a l t h e r m a l i n s u l a t i o nm e a s u r e so f p i l e c a p s c a ns l o wd o w n t h e t e m p e r a t u r e r e d u c t i o nr a t eo fp i l ec a p s,w h i c hi sb e n e f i c i a l t ot h ec o n t r o lo f t e m p e r a t u r ec r a c k s,b u t i t i sn e c e s s a r yt oc o n t r o l t h et h e r m a l i n s u l a t i o n t i m e I np r a c t i c a l e n g i n e e r i n g,u s i n g f l y a s h c o n c r e t e c o m b i n e dw i t h c mt h i c k e x t r u d e dp o l y s t y r e n eb o a r dc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o l t h eh y d r a t i o nh e a t o fm a s sp i l e c a p s a n d r e p l a c e t h e a r r a n g e m e n to f c o o l i n gw a t e rp i p e s K e yw o r d s:l a r g ev o l u m e c a p;c e m e n t c o n c r e t e;h e a t o f h y d r a t i o n;t e m p e r a t u r e f i e l d;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n(上接第 页)R e s t o r i n gF o r c eM o d e l o fP r e c a s tA s s e m b l e dP i e rC o n n e c t e dw i t hR e s e r v e dG r o u t i n gH o l e sL I U M u y u,)S UQ i h a n g,)Z H A N GQ i a n g)MAR u n p i n g)(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(H u b 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sb a s i c a l l yt h es a m e a s t h a t o f c a s t i n p l a c ep i e r,w i t h f u l l h y s t e r e t i c c u r v e a n dg o o dd u c t i l i t y A c c o r d i n g t o t h e t e s t d a t a,a t h r e e l i n e r e s t o r i n g f o r c em o d e l c o n s i d e r i n g t h e a n c h o r a g e l e n g t ho f s t e e l b a r s i s p r o p o s e d T h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nv a l u e o f t h em o d e l i s i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e t e s t v a l u e,w h i c hv e r i f i e s t h e e f f e c t i v e n e s so f t h em o d e l K e yw o r d s:r e c o v e r ym o d e l;r e s e r v eg r o u t i n gh o l e s;p r e f a b r i c a t e da s s e m b l yp i e r;s t a t i ct e s t i n g;s e i s m i cp e r f o r m a n c e第期朱云升,等:承台大体积混凝土水化热控制技术研究