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自定心预制节段桥梁的抗震性能
摘要
本文介绍了四种不同结构细节的自定心桥梁的周期性行为，包括外部能量耗散器和氯丁橡胶隔离。这些支架的柱由预制后张混凝土填充纤维管（PPT-CFFT）组成。作为参考样本还测试了第五个抗弯混凝土弯矩。测试表明，PPT-CFFT Bents可以在桥梁施工中用作侧向负载阻力系统。没有外部能量消耗器的PPT-CFFT弯曲显示大约为9.1％，不具有显着的损伤或残余位移.PPT-CFFTs外部能量耗散器的偏移角度为9.2％，有一些损伤。钢筋混凝土试件失效的倾角约为6.9％，有明显的损伤和残余位移。DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000174。 copy;2011美国土木工程师学会。
CE数据库主题标题：延展性;地震效应;纤维增强聚合物;管;桥梁;连接;能量耗散。
作者关键词：延展性;地震;循环;玻璃钢管;桥梁;连接;分割。
介绍
根据现行的能力设计概念，正确设计和详细的钢筋混凝土桥梁预计会在强烈地震期间和之后遭受广泛损坏和永久变形。Priestley等人（1999）实施了一个自动预中心无粘结预应力（PPT）施工系统，以减少这种残余偏移角和结构损坏。欧等人（2006），Kwan和Billington（2003），Hewes和Priestley（2002）以及Chou和Chen（2006）表示，分段PPT桥梁柱可以安全地抵抗横向循环力并承受大的非线性位移而不会出现明显或突然的强度损失。非线性行为是打开分段之间的界面连接而非材料非线性的结果。因此，与典型的整体式钢筋混凝土柱相比，残余位移，损伤和能量耗散较小。为了提高PPT节段桥墩的耗能能力，研究人员（例如Ou等人; Chou和Chen ;万豪等人2009; Rouse等人）提供了系统，并在选定的接口接头处提供了内部/中部增加的单产屈服耗能器。周和陈（2006）包括外部能量耗散器，将桥墩的弯矩能力提高了约10％。纤维增强聚合物（FRP）广泛用于桥梁改造。最近，混凝土玻璃钢管（CFFT）已被用作混凝土桥梁耐久性问题的经济解决方案（Zhu.2006; Shao and Mirmiran 2005; Fametal.2003;Mirmiran和Shahawy 2003）。朱等人（2006）研究了单节段PPT混凝土在混凝土填充纤维增强聚合物管（PPT-CFFT）中的抗震性能。该柱通过使用大约10％的柱极限轴向容量后张。该色谱柱在不失去其强度的情况下达到13％的偏移角，并且由于致动器达到其排量能力而停止测试。另外，实验工作提供的水平后张力与参考钢筋混凝土柱相比并没有明显改善PPT-CFFT柱的性能。然而，使用张紧力减少了残余位移量。ElGawady等人（2010a）对分段PPT-CFFT桥墩进行了静态循环试验。测试表明，PPT-CFFT可以安全有效地抵抗侧向力。Thetested PPT-CFFT和RC specimens表现为非线性延性方式。所有的PPT-CFFT试样的强度均降低约15％。这与参考钢筋混凝土试件不同，后者在12％的位移时开始失去强度。桥墩达到大约15％的偏移角度，并且有轻微的损坏。在Dawood（2010）中可以找到关于分段构建和CFFT的大量文献回顾。
1.华盛顿州立大学土木与环境工程系助理教授（通讯作者）。电子邮件：melgawady@wsu.edu
2.华盛顿州立大学研究生，民用和环境工程系。邮件：ahmad.shalan@wsu.edu
注意：本文于2010年2月1日提交; 2010年8月26日通过;于2010年9月4日在线发布。讨论期开放至2011年10月1日;单独的讨论必须提交给个人报纸。本文属于Journal of Bridge Engineering，Vol。 16，No. 3，2011年5月1日。copy;ASCE，ISSN 1084-0702 / 2011 / 3-328-339 / $ 25.00。328 /桥梁工程学报copy;2011 ASCE / MAY / JUNE 2011
研究目标和方法
将CFFT和预制后张节段施工技术相结合，将形成一个可持续加速的施工系统，可以抵抗地震造成的破坏。通过使用玻璃钢管内的普通混凝土（即没有任何钢筋），混凝土比传统的钢筋混凝土（RC）单元更有效地回收利用。使用玻璃钢管保护混凝土可提高其耐用性。本文描述的研究的主要目的是评估具有不同构造细节的四个PPT-CFFT Bents的静态循环性能。在这些弯曲中的每一列都是通过将CFFT段彼此堆叠并通过使用后张索连接段来构建的。这些弯曲的横梁由传统的钢筋混凝土构成。另外，一项测试了传统的钢筋混凝土整体抗弯框架作为参考样本。具体而言，目的是研究：（1）用于构建摇摆行为的弯曲柱的CFFT段的数量；（2）在能量耗散和粘性阻尼上增加外部能量耗散器（EED）；（3）将氯丁橡胶板插入最上段和横梁之间的接头中，以及最底部段和基础之间的框架的能量耗散和刚度上。根据作者的最佳知识，本文中介绍的测试代表了首次用CFFT墩进行自定心混凝土浇筑的试验。
实验调查
这个实验研究了用PPT-CFFT构建的四列桥梁的循环行为（图1;表1）。使用第五次就地整体式RC抗扭矩框架作为对照样本（图2）。典型的柱子直径为203mm，净高度为1143mm。框架清晰跨度为1676mm，横梁宽度为203mm，深度为381mm。这些尺寸近似代表典型桥梁弯曲度的0.25;然而，选择的尺寸最好地适合复合材料和工程Centerat Washington州立大学的现有设施。本文提出了概念测试的概念性测试;在所提出的施工系统的前提条件下需要进行大规模测试。
图1测试样本的示意图（尺寸单位为mm） 图2测试框架的典型尺寸和样F-RC
横梁长度不按比例 的钢筋详图（尺寸以mm为单位）
表1.测试样本的总结
注：柱子直径为203毫米，所有标本上方的负载高度为1333.5毫米。
Specimen F-RC是一种单体强化的混凝土试样。框架的每根柱子都配有6根3级60级纵向钢筋（屈服强度为414MPa），配筋率为1.3％。钢筋没有任何弯曲。横向钢筋由2号40级钢筋（屈服强度276 MPa）以88 mm的螺距螺旋组成代表0.8％的体积配筋率。每个基脚406mm宽，610mm厚，660mm长。在测试之前，将测试样本的基础后张到实验室强力地板。
PPT-CFFT试样中的每根柱子都是通过将预制CFFT分段堆叠在一起而构成的，然后将结构上的组件与未粘合的后张Dywidag杆通过位于分段内的51 mm聚氯乙烯（PVC）管道连接起来（图1和3）。标本F-FRP1中的每个柱子都是使用一个1,143毫米高CFFT段构建的。其他PPT-CFFT标本中的每一列都使用三段CFFT构建。每段高度为381毫米。构建了与用于F-RC试样相似的基础和横梁，并重新用于测试所有PPT-CFFT试样。在将任何PPT-CFFT色谱柱安装到基础上之前，基础是通过使用6毫米厚的水泥砂浆层来平整。然而，所有的部分都有光滑的表面，因此在其他部分之间没有使用调平层。
图3.准备测试的样品F-FRP3-R 图4.氯丁橡胶的应力 - 应变曲线
试样F-FRP3-R具有230mm见方的氯丁橡胶衬垫，其厚度为25mm，放置在基脚与底部分之间的界面处以及最顶部分与横梁之间的界面处。在施加后张力之前将氯丁橡胶衬垫插入列中稍微将柱的总高度增加到了1193mm，并且在施加了后张力之后将其增加到了1170mm。商业氯丁橡胶的肖氏硬度Shore A为40（ASTM D2000-08，ASTM 20008a），并且在该研究中使用图4所示的压缩应力- 应变（ASTM D575-91，ASTM 2007）。在真正的地震中，氯丁橡胶会削弱桥梁，并可能导致较低的地震力需求，但较高的排水量需求。这种力需求的减少取决于地震地面运动的频率成分和桥梁的周期。
图5钢角度的仰角（顶部），平面（左下角）和侧面（右下角）视图（尺寸以mm为单位）
试样F-FRP3-S具有以弯曲的四个交替角落附着的改性A36钢角形式的EED（图1和5）。每个角度通过使用5个10毫米Diameter螺纹杆和Hilti HIT-RE 500环氧系统进行螺栓连接。五个螺栓中的两个螺栓穿过相邻的立柱，其余三个螺栓与顶梁的横梁或底角的地基螺栓连接。但是，在将北向接头处的角度螺栓连接到横梁上时，只使用了两个螺栓，而不是三个。浇注混凝土横梁时，一个镫从其原始位置失去方向，阻止第三个螺栓的通过。
精心设计的EED应避免脆性拔出失效和钢材屈服导致的延性失效。使用EED可以减少地震需求，减少对桥梁的破坏，同时具有可替换的地震地震的优点，但它将会对桥梁美学产生重大影响。另一方面，使用低碳钢等内部耗能材料（如Ou等人2006）对桥梁没有建筑影响但会对桥梁弯曲造成严重损坏，并且不可更换。
用于试样F-FRP3-S和F-FRP3-R的混凝土的测得的抗压强度（）为20.5MPa，弹性模量（Ec）为15000MPa。其他试件采用和Ec分别为14.3MPa和13600 MPa的混凝土施工。
FRP管通过堆叠10层E-玻璃纤维和环氧树脂制成，每层厚度约为0.318 mm，通过使用长丝缠绕技术，相对于管的纵向轴线具有plusmn;55°的纤维取向。管道壁厚度为3.18mm，直径203mm。选择这种厚度是为了避免脆性剪切破坏（Seible等1995）。对管材料的试验测试分别显示192和16600MPa的压缩强度和弹性模量（ASTM D6641，ASTM 2009），以及分别为110和11200MPa的拉伸强度和弹性拉伸模量（ASTM D3039M-08，ASTM 2008b ）。
侧向载荷施加在基脚顶部以上约1334mm的高度处。由于氯丁橡胶衬垫的插入，试样F-FRP3-R的高度增加到1361mm。在初始损失之后，施加的后张力为151kN，对应于后张力筋的极限强度的18％，以及大约的轴向应力。选择这个值使得样品F-FRP1，F-FRP3和F-RC具有大致相同的名义侧向强度。标本的标称强度如ElGawady（2010a）中所示。在该手稿中，标称强度被定义为在开口界面接点到达位置之前试样的侧向强度后张紧杆，即在张紧力显着增加之前。
加载方式
横向加载方式包括在位移水平为plusmn;0.5，plusmn;1，plusmn;1.5，plusmn;2，plusmn;2.5，plusmn;4，plusmn;5和plusmn;6乘以水平位移在整体试件的纵向钢筋中引起第一屈服（Delta;y）。通过使用弯矩曲率分析，理论上Delta;y被确定为10mm，对应于0.8％的偏移角。有关测试设置和程序的更多信息，请参阅Sha#39;lan（2009）。
仪器
八个弦线电位计用于测量每列四个不同部分的垂直位移（图6）。还通过对每个柱使用六个应变计来测量FRP管上的周向应变。两个应变计也用于监测每个Dywidag钢筋的轴向应变。柱顶和侧向力的横向位移分别由弦线电位器和荷载单元测量。数据是以2Hz的频率测量的。Sha#39;lan（2009）提供了关于仪器的更多细节。
图6指示应变计和电位计的典型位置的单个柱的高程（尺寸单位为mm）
实验结果和讨论
一般性能和滞后行为
图7-9总结了测试样本的结果。图10显示了每个试件在横梁中心线测得的侧向力与横向位移的关系。试件F-RC几乎呈线性，直到偏移角约为0.8％。此时，横梁 - 柱节点出现若干次弯曲水平裂缝（图10）。在横梁柱节点和基础柱节点的柱子中产生了许多弯曲裂缝，其偏移角度为3.4％。当试件达到约53 kN的极限强度时，横梁柱节点和地基柱节点的附加应力为5.1％（图7），柱子发生明显的混凝土剥落，长度范围为100至178毫米。除此之外的循环导致试样强度逐渐下降，并出现明显的纵向钢筋屈曲。塑料铰链处柱混凝土芯的破碎发生在侧向偏移角处为6.9％，导致试样的侧向强度下降约20％，这被认为是本手册定义的失败。最后，北支柱的螺旋钢筋以8.4％的漂移和33kN的载荷断裂，试验停止。样品中的显着损伤导致“脂肪”滞后环，表明高能量耗散。
除标本F-FRP3-R以外，所有PPT-CFFT试样的侧向强度明显高于参考F-RC试样，并且能够在较高漂移的条件下承受较高的侧向载荷几个循环。然而，由于初始张力，桥墩直径和无粘结腱长度等因素的影响，极限强度受到显着影响。因此，在比较后张试样和参考单片常规钢筋混凝土试样的极限强度时应谨慎。
图7试验后的样品F-RC 图8最大位移处的试件FRP1
图9 样品在上次加载过程中不同接口接头的示例：（a）F-FRP3 （b）F-FRP3-R 和（c）F-FRP3-S S：南列，N：北列，T：顶部关节，B：底部关节
PPT-CFFT试件发展出线性弹性响应，直到横梁柱和柱 - 基础界面连接打开，导致柱摆动机构。对于多段样品（F-FRP3，F-FRP3-R和F-FRP3-S），目视未观察到片段之间的界面接合处开口
在测试期间。在所有样本中，当执行器达到其行程位移能力时停止测试。标本F-FRP1和F-FRP3表现非常相似
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