【摘要】：現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)兼具高效的建造速度、可靠的抗震性能及良好的震后可修復(fù)性,而傳統(tǒng)鋼筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)橋墩的現(xiàn)澆建造方式造成了橋梁建設(shè)工期冗長和橋位周邊環(huán)境劣化,且該類橋墩易產(chǎn)生過大的震后殘余位移而嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的震后可修復(fù)性和使用性。與現(xiàn)澆RC橋墩不同,預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩(Precast Segmental Bridge Column,PSBC)在建造時(shí)是將模塊化預(yù)制的節(jié)段依次拼裝并通過預(yù)應(yīng)力筋連接成為整體,故而具有突出的建造效率優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢。然而,目前已提出的各類形式的PSBC大多無法做到抗震性能及震后可修復(fù)性的兼顧,且PSBC抗震設(shè)計(jì)方法的缺乏嚴(yán)重制約了此類可實(shí)現(xiàn)高效建造的橋墩在抗震區(qū)的應(yīng)用。針對上述現(xiàn)澆及節(jié)段拼裝橋墩存在的問題,本文提出了混合配筋節(jié)段拼裝橋墩(Hybrid Reinforced PSBC,HR-PSBC)的概念,旨在實(shí)現(xiàn)橋墩體系建造效率、抗震性能及震后功能性的同步提高。HR-PSBC同時(shí)采用耗能鋼筋與自復(fù)位筋作為縱向受力筋,其中,以普通熱軋鋼筋作為耗能筋、利用其彈塑性特性提高PSBC的耗能能力,而以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋或精軋螺紋鋼筋作為自復(fù)位筋、利用其高彈性極限強(qiáng)度的特性提高PSBC的屈服后強(qiáng)度,以同時(shí)減小橋墩震時(shí)位移需求及震后殘余位移。本文基于截面層面理論分析、構(gòu)件層面試驗(yàn)及有限元分析,驗(yàn)證了上述混合配筋思路的有效性,揭示了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對HR-PSBC抗震性能與自復(fù)位能力的影響規(guī)律,并提出了HR-PSBC詳細(xì)的兩階段抗震設(shè)計(jì)方法。本文的主要研究內(nèi)容、方法和結(jié)論如下:(1)以混合配筋墩柱截面力學(xué)性能為研究切入點(diǎn),分析了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對混合配筋截面破壞模式和彎矩-曲率行為的影響規(guī)律,初步驗(yàn)證了混合配筋對提高橋墩屈服后剛度的有效性;在此基礎(chǔ)上,以確保混合配筋截面具有較高屈服后剛度及合理破壞模式為目標(biāo),提出了HR-PSBC中自復(fù)位筋的三種潛在可行的配置方案并進(jìn)行對比分析,為后續(xù)試驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo);(2)基于前述截面層面理論研究,設(shè)計(jì)并制作了8個(gè)截面尺寸0.6m×0.4m、總高度4.2m的大比例PSBC試件并進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究,考察了自復(fù)位筋與耗能鋼筋的混配比例、自復(fù)位筋的強(qiáng)度與彈模以及橋墩軸壓比等主要設(shè)計(jì)參數(shù)對HR-PSBC抗震性能的影響規(guī)律;擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明,混合配筋方法可在保持滯回耗能能力基本不變或有所增加的前提下有效提高墩柱屈服后剛度及自復(fù)位能力,同時(shí)橋墩的承載力和延性亦有較明顯增加;(3)基于Open Sees平臺建立了HR-PSBC精細(xì)化纖維單元模型,實(shí)現(xiàn)了對FRP筋斷裂、縱筋應(yīng)變滲透所致粘結(jié)滑移、節(jié)段間相對轉(zhuǎn)動等復(fù)雜力學(xué)行為的準(zhǔn)確模擬,并通過與本文及前人開展的共計(jì)14個(gè)PSBC試件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了該建模方法的精確性,彌補(bǔ)了當(dāng)前研究中缺乏PSBC抗震性能高效數(shù)值分析方法的不足;在此基礎(chǔ)上,開展了HR-PSBC單調(diào)推覆性能、滯回行為和地震激勵下動力響應(yīng)有限元分析,揭示了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對HR-PSBC自身力學(xué)性能及震時(shí)最大位移與震后殘余位移需求的定性及定量影響規(guī)律,提出了HR-PSBC抗震設(shè)計(jì)所需的骨架曲線模型和殘余位移預(yù)測方法;(4)以上述HR-PSBC抗震性能的系統(tǒng)研究為基礎(chǔ),結(jié)合我國與日本現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,確立了HR-PSBC兩水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)及確保HR-PSBC抗震性能、震后功能性和可修復(fù)性的設(shè)計(jì)方法,給出了HR-PSBC詳細(xì)的兩階段抗震設(shè)計(jì)流程,并提供了抗震措施建議及施工階段的裝配流程建議;同時(shí),所提出的設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)合緊密,有利于推動HR-PSBC在中高地震烈度區(qū)橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)程。
【圖文】：

“一帶一路”國家級戰(zhàn)略的順利實(shí)施要求加速建設(shè)沿線國家的交通基礎(chǔ)設(shè)施[1,2]，國內(nèi)中長期高速公路和高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)任務(wù)也十分緊迫[3,4]，同時(shí)，各大中城市為解決空間問題也亟需建設(shè)立體交通系統(tǒng)[5]，這些迫切任務(wù)的順利完成均要求作為交通樞紐的橋梁結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、生態(tài)化的建造。然而，橋梁下部橋墩體系的現(xiàn)澆施工方式往往導(dǎo)致整個(gè)橋梁建設(shè)工期冗長[6]以及橋位附近生態(tài)及生活環(huán)境劣化[7]。預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩（Precast Segmental Bridge Column, PSBC）為解決上述問題提供了有效思路。如圖 1-1 a)所示，PSBC 是將鋼筋混凝土墩身沿縱向劃分為若干節(jié)段進(jìn)行模塊化預(yù)制，在建造時(shí)將諸預(yù)制節(jié)段進(jìn)行機(jī)械化拼裝后通過后張預(yù)應(yīng)力筋、混凝土后澆帶及孔道灌漿等連接方式拼裝成整體。由于顯著減少了現(xiàn)場施工時(shí)支模、澆筑及養(yǎng)護(hù)作業(yè)，PSBC 的建造周期短且受季節(jié)和天氣影響小，減少了對橋址附近既有交通系統(tǒng)的干擾，降低了對生態(tài)環(huán)境及居民生活環(huán)境的不良影響[8]。鑒于 PSBC 的上述優(yōu)點(diǎn)，該類橋墩在美國[9]及我國臺灣地區(qū)[10]的實(shí)際橋梁工程中已有不少應(yīng)用。圖 1-1 b)所示為 PSBC在美國的應(yīng)用實(shí)例分布；圖 1-1 c)所示為 2010 年建成的美國 Hoover Dam 大橋，該橋中應(yīng)用了高達(dá) 92m 的預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩[11]。

研究者提出了如圖1-2 b)所示的在 PSBC 中配置貫穿各預(yù)制節(jié)段的有粘結(jié)普通熱軋低碳鋼筋的方法來增加其耗能能力，并稱此類縱筋為“耗能鋼筋”。從圖 1-2 c)可以看出，配置耗能鋼筋后 PSBC 的滯回耗能能力和水平承載力均得到顯著提升。然而，耗能鋼筋的存在也易使得 PSBC 震后殘余位移過大，影響橋梁結(jié)構(gòu)的震后使用性及可修復(fù)性。a) 無耗能筋 PSBC b) 有耗能筋 PSBC c) 滯回曲線對比圖 1-2 工程中應(yīng)用的兩類 PSBCFig.1-2 Two types of PSBCs used in bridge engineering控制墩柱震后殘余位移的重要性是在 20 世紀(jì)八九十年代經(jīng)歷了多次震害后才逐步得到認(rèn)知。自 20 世紀(jì) 60 年代，結(jié)構(gòu)抗震理論已揭示結(jié)構(gòu)變形及耗能能力是實(shí)現(xiàn)“大震不倒”設(shè)防目標(biāo)的重要因素并開始使用“延性”來描述結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段的抗震性能，，基于延性的抗震設(shè)計(jì)思想逐步形成[15]。1985 年 Mexico City 地震、1989 年 Loma Prieta 地震、1994 年 Northrige 地震及 1995 年 Kobe 地震等震害調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)前基于延性抗震設(shè)計(jì)思想的設(shè)計(jì)規(guī)范在防止建筑橋梁結(jié)構(gòu)倒塌、保護(hù)生命安全方面是相當(dāng)有效的，但卻無法保證結(jié)構(gòu)具有良好的震后功能性和可修復(fù)性[16,17]，對抗震救災(zāi)及災(zāi)后重建工作造成了嚴(yán)重影響。而且，未倒塌結(jié)構(gòu)的震后修復(fù)工作又帶來高昂的間接經(jīng)濟(jì)損失，且大量結(jié)構(gòu)由于震后殘余位移過大而難以修復(fù)[18]。例如
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U443.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2694792