英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
空心矩形截面钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究
Paolino Cassese,Paolo Ricci,Gerardo M.Verderame
意大利那不勒斯21号，克劳迪奥大街，那不勒斯费德里科二世大学结构工程系
摘要
对现有典型的空心矩形截面钢筋混凝土桥墩进行了试验测试。这些样本的设计和制造（比例1：4）代表了1980年前实现的意大利桥梁结构的材料和增强特性。对四个标本进行了测试，并采用了不同的剪切跨度与截面深度比。在恒定轴向载荷的位移控制下进行了循环测试。 观察挠曲和挠曲-剪切破坏模式。描述了设计标准和采用的设置。 提出了实验性的整体响应和观察到的破坏演变。分析了局部响应和滞回能量耗散的结果。从文献中收集了对同一类型的元素进行测试并经受剪切或挠曲-剪切破坏模式的测试数据库，并与文献和规范中的抗剪强度能力模型进行了比较。
关键词：钢筋混凝土桥墩、矩形空心截面、现有实验的失效模式、剪切。
1.引言
对现有桥梁结构的抗震性能进行评估是一个非常重要的问题，尤其是在欧洲和意大利，在地震工程原理和抗震设计规范得到发展之前，大多数现有桥梁都是在1980年之前建造的。 众所周知，由于强烈地震而造成的公路桥梁损坏，无论是否威胁生命，都对相关地区的经济生活造成了严重影响。出于这些原因，需要桥梁以确保地震后的低水平破坏，以便进行救援行动。
钢筋混凝土（RC）空心截面墩是桥梁结构的一种广泛的结构解决方案，由于多种原因在经济上具有吸引力，包括：与具有类似面积的实心截面相比，惯性矩更大，惯性质量降低，在施工期间节省了材料和设备，减少了与大块混凝土水化有关的问题。世界各地最近发生的主要地震都凸显了现有空心墩的抗震性能不足，其总体特征是结构布置不佳和腹板厚度较小。地震桥的设计原理是通过在墩台基础上的延性弯曲铰来实现能量耗散，这与建筑框架中通常使用的弱梁强柱的抗震设计不同。显然必须防止桥墩的脆性剪切破坏，以避免灾难性的倒塌，并且还必须特别注意随着挠曲延性需求的增加而导致的剪切强度下降。实际上，中空RC柱的典型抗剪机理与具有管段截面特征的构件的抗剪机理非常相似，主要取决于腹板的长宽比。关于退化理，较小的厚度限制了约束混凝土核心区，这对地震能量消散至关重要。与空心RC墩有关的另一个重要问题是，它们的地震响应具有高剪切变形特征，与典型的RC墙相当，在总位移中所占比例较大。
对于实心截面墩，已经进行了大量有关现有RC墩的实验研究，特别是圆形（例如[5-9]）和矩形（例如[10-11]）。
另一方面，直到最近才对空心墩的实验循环响应有所关注，实际上文献中仅有相对较少的实验研究，一些与大规模试验有关，而另一些与小型试验有关。
莫及其同事[12-20]在台湾对空心RC桥墩的地震反应进行了广泛的实验。 作者测试了几个不同的试件，这些试件具有圆形或矩形的空心横截面，包括完整的和小规模的。样本最初是根据（ACI 318-95）设计的；因此，实验测试的主要目标之一是研究横向钢筋不同的布置和数量的影响。在不符合规范的横向钢筋中，观察到了挠曲-剪切和剪切失效。还测试了加固和修复技术。
只有少数的研究报道了RC空心矩形桥墩的实验结果，可以认为这些结果是典型的现有非延性桥梁结构的代表，例如横向钢筋配筋率低且缺乏抗震结构。在[21]中研究了以塑性铰区域内的搭接为特征的实际存在的空心矩形墩的响应。在过去的十年中，对缩小尺寸的空心矩形墩进行了进一步的实验研究，研究了不同参数对地震响应的影响（其中包括轴向载荷比，横向配筋率，剪跨比，箍筋布置）[4,22–24]。在文献[23]比例为1：4的矩方形空心RC墩中，假定高度不同，因此长宽比不同，轴向载荷比不同（在典型的现有桥梁范围内），并且纵向和横向的钢筋布置也不同。如预期那样，分别在三个短（更矮）的试件和四个较高（更细长）的试件分别发生剪切破坏和剪切-弯曲破坏。此外，在另外三个更高的试件中研究了临界截面可能移动和搭接接头不充分的影响。在[22]中，提出了对FRP增强的类似试样的进一步测试。在[4]，[24]中提出了对[22]和[23]中进行的帕维亚试验的矩形横截面的扩展。特别是，在[24]中，提出了两个系列，每组六个试件，一个带有正方形截面（如[22]和[23]中所示），另一个带有矩形截面。在每个系列中，实现了四个与Pavia测试类似的横向钢筋样本，一个样本具有防止纵筋屈曲的附加支脚，最后一个样本具有EC8兼容的横向钢筋区域。第二系列的所有测试（即具有矩形横截面）均发生剪切失效，而第一系列的所有测试（即具有方形横截面）中，与帕维亚测试相似的两个样本在挠曲-剪切中均失效，其余的发生剪切失效。由于纵向钢筋的强度过高，两个均符合EC8标准的横向钢筋的试样系列也出现剪切失效。
本研究旨在促进对钢筋混凝土现有空心矩形截面桥墩的响应的研究。 实验研究的主要目标是：（i）在整体上，对不同长宽比的墩的破坏模式，最终漂移能力和能量耗散能力进行评估；（ii）在局部层面，分析对顶部位移的可变形性贡献（即弯曲，剪切和固定端旋转）。此外，收集了遭受剪切或挠曲-剪切破坏模式的文献测试数据库，整合了作者进行的测试，以便分析文献和规范将主要剪切强度模型应用于现有RC桥墩空心矩形截面。
在周期性增加的载荷和恒定的轴向力下，测试了四个纵横比不同的缩小矩形空心矩形RC墩。固定一个横截面，为得到这四种情况，考虑了两种不同的试样高度值和两种加载情况。这些试件旨在代表80年代以前意大利的典型设计实践，因此它们的特点是纵向和横向配筋率低，细节不充分，并且缺乏适当的约束钢筋。预期会出现两种不同的故障模式，并通过实验进行了验证，具体取决于试件的长细比（较高的墩为弯曲模式，较短的墩为弯曲剪切）。
接下来，首先提供试件的描述和实验程序的详细信息。随后，介绍并讨论了整体实验响应和损坏状态。接着分析和讨论了实验的局部受力性能，尤其是由于不同的变形机制而引起的主要变形性能。研究了滞回能量耗散和相关的等效阻尼。 最后，从文献中收集了具有剪切或挠曲-剪切破坏的空心矩形截面RC桥墩的测试数据库，并根据文献或规范中的承载力模型与预测用抗剪强度评估公式进行了比较。
2.实验程序和设置
2.1 测试样品和材料
本实验考虑了四个代表空心矩形横截面的悬臂桥墩的试件。设计程序的主要目的是获得1980年之前建成的意大利运输基础设施中现存桥柱在各个方面的代表性，例如几何形状和配筋情况，材料以及重力载荷的轴向载荷比。这是通过对大量意大利RC桥梁样本的调查结果[25]和文献[26]中的一些可用数据得到的。关于横截面的形状，特别是根据[25]，空心矩形墩是意大利RC桥梁结构中最常见的类型，约占37％。其余常见的横截面类型按降序排列分别为实心圆形，实心矩形和空心圆形。采用1：4的缩放因子。所有试样的特征都是相同的横截面和钢筋布置。矩形空心部分的外部尺寸为600 x 400毫米，厚度（tw）为100毫米。纵向几何配筋率（rho;1）为0.88％，分别由一层db为8mm的钢筋沿着外边缘和一层db=18和10mm的钢筋沿着内边缘布置。横向配筋率比（rho;w）等于0.12％，用db = 3 mm的箍筋，间距为120 mm，端钩为90度。在材料方面，在12个15times;15times;15 cm的立方体样本上，再现了一个强度等级低的混凝土，其圆柱体抗压强度(fcm)的平均值为17.0 MPa。纵向钢筋的屈服强度(fym)为540 MPa，极限强度(ftm)为620 MPa。横向钢筋屈服强度为655 MPa，极限强度为690 MPa。所施加的轴向荷载水平为抗压轴向承载力的5%，在意大利桥墩[25]典型工况范围内。试验墩高宽比不同(LV/H)，其中LV为剪切跨度，H为截面深度(加载方向)。两个桥墩的高度分别为900mm和1500mm。每一个都沿着一个主要方向进行测试，这样就考虑了四个不同的长宽比值。所有按比例缩放的墩都重现了所考虑时期的典型非地震设计，从而导致钢筋细节处理欠佳（相对的纵向钢筋和90°钩之间没有连接，导致缺乏约束）。对于被测样品，由于较低的横向配筋率以及横截面的形状，循环响应和坍塌模式对弯曲-剪切相互作用非常敏感[4]。试件和材料的主要性能分别列于表1和表2中。
桥墩顶部的刚性盖可以将轴向和侧向荷载分配到截面翼缘上。底座用来防止底脚旨在防止局部损坏。在这应注意本实验研究的注意力仅集中在墩构件的受力性能上，而基础的设计仅为这些构件提供固定的基础。根据实验和数值研究（例如[27–29]），土和基础的动力相互作用称为土壤-结构相互作用现象可能会严重影响桥梁结构的相应，通常会导致桥墩的非弹性需求减少。然而该主题的研究超出了当前研究范围。以及以下报告的位移，应表示为墩台基础与墩台之间的相对位移，因此不包括墩台任何因土壤柔韧性而发生的位移。
所有测试单元的示意性俯视图和正视图如图1所示。
2.2 实验设置
所有测试均通过在位移控制下的液压执行器沿桩帽中心线施加水平循环位移的准静态状态下进行。轴向载荷由一个封闭的系统施加，该系统由3个后张的高强度db = 15.7 mm钢绞线组成。 为实验效果，在各股的固定板和顶盖顶面之间插入一个用于控制负荷的液压千斤顶。 地基被四根后张预应力的钢筋约束在实验室坚固的地板上。 测试设置的全局图形方案如图2所示。
为了更好地理解以下各节中报告的实验结果，此处提供了定向系统：沿东西方向测试了试件。
2.3 测试监控和加载方案
监测系统由两个子系统组成，前者用于整体测量，用于定义试样的结构响应（力和位移），后者用于局部测量，与使用不同响应机制相关的局部变形分量相关（请参阅第4节）。 全局系统由两个分别用于水平和垂直力的称重传感器和一个用于测量墩盖位移的线电位计组成（见图2）。为了深入研究试件中共存的局部变形分量（弯曲贡献率，剪切贡献率和悬臂基端的固定端旋转），采用安装在两个腹板上的(8 8)线性电位器(LPs)沿着墩高进行适当的测量，如图3a所示。将LPs连接安装在木片上的铝管的两端，木片的两边用螺丝固定并粘在一起，与装载方向一致。每个LP测量两个相对点之间的对角线/垂直位移。这样就实现了两个曲率单元和两个剪切变形板。用一对垂直线性可变位移传感器(LVDTs)监测悬臂基座的弯曲变形和固定端旋转，传感器固定在连接到基础上表面的翼缘中心(见图3b)。为了监测钢筋的纵向应变，应变仪安装在角纵筋和前两个箍筋上，沿着四个支撑(见图3c)。在纵筋上，应变计安装在柱底端上方和基脚内侧，以控制塑性变形的发展。最后，在相反方向以相同距离安装两个摄像头(即北，南)，以监测裂缝的发展。
测试开始缓慢施加垂直力，直到达到0.05的轴向载荷比，然后使样品经受增加位移的准静态循环。除非较早发生故障，加载顺序由三个周期组成，位移分别为1 / 3y，2 / 3△y，△y，2△y，4△y，6△y，8△y，10△y，12△y，其中Dy是根据[30]估算的理论屈服位移。值得注意的是，这种位移规程与从液压执行器的内部传感器测得的规程相对应。由于反应系统受较小的杂散变形（主要是由于反冲和对比系统变形所致）的影响，因此实际样本位移与这些值并不完全匹配，尤其是对于较低的漂移水平。 无论如何，所有实验考虑都是基于从外部电位计获得的精确值，该电位计位于水平执行器轴的水平位置。
3.整体性能
3.1 样本P1
实际应用的加载记录由八组完整的三个推/拉周期组成。测试P1的横向载荷与侧移响应的关系结果如图4所示。损伤状态和最终损伤状态随侧移的演变如图5所示，并汇总于表3中。
在推拉循环过程中，实验响应非常对称。在前三个循环设置中已经观察到初始刚度首次降低，侧移等于0.08％。凸缘上形成水平发际线裂缝。第二个加载步骤（侧移= 0.21％）的特征是刚度进一步降低，这与沿前三层横向钢筋在腹板上的水平挠性裂缝的发展相对应（见图5a）。在0.21％至0.34％的侧移范围内，刚度逐渐降低，位于该元件下半部分的挠曲裂纹沿对角线方向发展，并在中心部分出现了轻微裂纹（图5b）
在第四组循环中观察到相当大的刚度降低，侧移值为0.76％，力约为153 kN。 样品达到屈服条件，这在位于测试单元底部的应变仪提供的纵向条形应变测量结果得到确认（见图13a和图4中的红色圆圈）。
现有的裂缝增加了宽度，新的挠曲裂缝形成在距柱底约1000 mm的高度处。 进一步的剪切裂缝在试样上部形成为弯曲裂缝的延伸。值得注意的是，从这一循环开始，因为对角裂缝宽度突然增大而出现滞回曲线的收缩效应(图5c)。
对于正向加载方向（推动），侧移达到 1.68％，对于负向加载方向（拉动）侧移为-1.63％，达到了峰值载荷。顶部横向载荷的相应峰值分别为 164 kN和-168 kN。在对应于峰值载荷的循环过程中，现有裂缝扩展并且其宽度增大。圆柱底部的损坏迅速发展：由于纵向钢筋的屈曲，混凝土盖角处出现了垂直裂缝（图5d）。
峰值后的响应受挠曲控制。事实上，它的特征是由于混凝土剥落和纵筋的屈曲而逐渐退化，在正向和负向加载时，软化刚度(在第一个周期的包膜上计算)分别等于初始刚度的7.3%和6.7%。实验响应在非弹性循环中也是对称的。循环内强度下降从第四加载阶段的10%发展到第七加载阶段的24%。特别是在第六循环,2.55%的侧移，柱底弯曲裂缝显著和混凝土保护层完全剥落了下来。随后的循环周期（侧移= 3.47％）的特征是混凝土在基础和第一层横向钢筋之间的距离内明显剥落，并且纵向钢筋明显屈曲（图5e）。
在最后一组循环中（侧移= 4.37％），受压翼缘的混凝土完全坍塌并剥落（图5f）。由于屈曲/张
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[240123]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
