装配式桥墩抗震性能研究外文翻译资料

 2021-12-04 09:12

英语原文共 13 页

关键词:

扇形柱

爆炸

剪切键

消能杆预应力

预制技术建筑在过去的几十年中已经有了很快的发展。尽管优点包括缩短建筑周期,更好的质量,减少环境和交通的影响,但是由于缺乏对动态荷载的研究,阻碍了预制技术建筑在高地震带和恐怖袭击多发区的广泛应用已经是个问题。在预制构件中,预制节段柱是一种极具潜力的施工技术。近年来,对地震荷载作用下的分段柱已经进行了深入的研究。在其使用寿命期间,除了地震作用外,结构还可能受到冲击和爆炸等其他动荷载的作用。因此,为了更好地理解结构性能,进行多危害分析是非常重要的。这项研究探讨了分段钢筋混凝土柱的抗爆性能。考虑了有剪力键或没有剪力键和耗能杆的钢筋混凝土节段柱。还研究了柱节数和不同后张拉力水平对柱动力性能的影响。采用商业程序LS-DYNA对不同爆炸载荷作用下的节段柱进行了数值模拟。通过对钢筋混凝土柱试验数据的分析,验证了数值模型的正确性。计算了节段柱在不同爆炸荷载作用下的数值结果,并与整体式钢筋混凝土柱进行了比较。对节段钢筋混凝土柱在抗爆荷载作用下的性能与整体柱进行了探讨。

介绍:

在过去的几十年中,预制技术的发展和需求不断增长。预制结构构件,如楼板、柱和梁可以在工地外建造,并在短时间内就地组装。在预制结构构件时,可以达到较好的质量控制和效率,并可最大限度地减少对环境和交通的干扰,而这些都是传统的现场结构施工的障碍。在预制构件和体系中,预制节段柱在桥梁建设中得到了广泛的应用。图1显示了一些既有结构分段柱施工技术。尽管预制技术有很大的优势,但在设计预制结构时,研究人员和工程师仍然对此感到担忧。其中,人们对这类建筑的抗震性能缺乏了解,因此在地震区的广泛使用是有限的。第二,由于近几十年来恐怖主义活动造成的威胁不断增加,这些结构在冲击和爆炸载荷下的脆弱性也是非常重要的。因此,在民用建筑中广泛应用之前,对这类结构物进行多险种风险评估是非常必要的。

关于节段柱的抗震性能,休斯和普里斯特利[1]报道了无粘结预应力装配混凝土节段桥柱在模拟侧向地震荷载下的试验。在模拟侧向地震荷载作用下,对高长径比柱和低长径比柱进行了试验研究。采用描述柱力-位移特性的分析模型,对试验前柱的响应进行了预测。研究发现,该模型合理地预测了柱的力-位移响应。比灵顿和尹[2]设计了一个适用于地震区的预制节段式混凝土桥墩系统。该系统采用无粘结后张预应力筋与预制节段连接。正如Kim等人所指出的那样[3]。预制节段柱在地震荷载作用下的性能与普通钢筋混凝土柱有根本的不同。

预制节段柱的反应类似于摇摆基础,当重力提供的弯矩阻力被克服时,基础会离开地面。在地震荷载作用下,节段柱表现出旗形特征,可能比整体柱承受更大的位移。[4]. 它们与普通钢筋混凝土桥墩相比,具有很高的自定心能力。

有粘结或无粘结预应力筋/钢绞线一般用于节段柱,以增加能量耗散,降低残馀位移。Wang等人.[5]发现在地震荷载作用下,预应力筋有助于减小柱的残馀位移。尼克巴赫特等人.[6]得到的解析解表明,提高预应力水平可以提高柱的刚度,提高柱的强度,改善耗能能力。Dawood等人.[7]讨论了影响节段预制后张法桥梁墩横向地震响应的设计参数。据观察,初始预应力在其屈服应力和初始轴向应力的40%-60%之间的混凝土,大约为混凝土的特征强度的20%,最典型的设计是合适的。这些设计数值将防止肌腱屈服,直到横向漂移达到大约4.5%。

节段拼装柱的摇摆机理防止了塑性铰的形成,从而减少了结构的损伤和裂缝。然而,虽然节段柱表现良好,并表现出优良的中心复定能力,但是Yamashita and Sanders[8]注意到在地震荷载作用下,第1段基底可能发生明显的破坏。在典型的预制节段式桥梁柱设计中,预应力预应力筋的重力荷载和压力提供了所需的弯曲和剪切强度。每个节段的纵向配筋不是连续的,只是用来定位横向配筋和控制收缩和徐变[9]它们对强度和能量吸收的贡献是很有限的。在侧向力较大作用下,柱在节点张开前,其工作方式与整体柱相同。节点打开后,柱在卸载过程中表现出小段残留位移的非线性行为。在整个过程中,后张法线具有很大的弹性。由于整个节段柱的耗能较小,限制了节段柱在抗震要求较高耗能的地区的应用。为了提高桥墩的耗能能力,Ou 等人. [9] and Wang [10]等人提出了纵筋与柱节间连接的柔性钢筋,并对其在桥墩上的应用进行了试验研究。尽管这些连接低碳钢条(所谓的lsquo;rsquo;ED钢筋rsquo;)“柱能量耗散能力显着提高,但是发生较大侧向位移时,这些钢筋出现了早期断裂。在后来的研究中,Ou等人。[11]采用高性能钢筋作为ED筋,具有较好的延性,进一步增加了柱在地震荷载作用下的耗能。然而,增加的能量耗散能力通常与较大的残馀变形有关,这是一个不希望的副作用,因为它影响后结构的适用性。为了解决这一问题,研究人员采用形状记忆合金(SMA)作为ED筋,以减小大地震荷载作用下节段柱的残馀变形[12].到目前为止,关于节段柱动力特性的研究大多集中在其抗震性能上,而其他的意外荷载如车辆碰撞,尽管对结构性能影响显着,但却很少被考虑。当桥梁跨越另一条道路或铁路,或位于市区的桥墩时,车辆碰撞问题应引起关注。到目前为止,国内外对冲击载荷作用下的整体柱进行了广泛的研究。EL-Tawil 等人[13]通过对车辆碰撞下钢筋混凝土桥墩进行的数值分析评价了AASHTO-LRFD车辆碰撞规定[14]。Thilakarathna 等人.[15]对轴向荷载作用下混凝土柱进行了横向冲击数值模拟,提出了一种确定受冲击柱易损性的方法。Sha和Hao[16]发展了混凝土桥墩受驳船撞击的数值模型,并在冲击荷载作用下,对无和有碳纤维布加固的整体式桥墩进行了试验研究[17,18]。他们还对柱高、几何形状、尺寸、混凝土强度等参数对钢筋混凝土桥梁冲击响应的影响进行了参数分析研究[19].Chung 等人.[20]通过数值模拟研究了车辆碰撞下预制节段柱的抗剪性能,并与现浇整体柱进行了对比,结果表明节段柱的抗剪性能是影响其抗冲击性能的主要因素。Zhang,等人.[21]对不同节段数、有无ED筋和不同后拉伸水平的节段柱进行了一系列的实验室冲击试验。还对同高、同截面的整体式钢筋混凝土柱进行了试验研究,为节段柱的性能评价提供参考。记录了柱体变形-破坏过程的高速图像,并分析了柱体响应。通过记录冲击荷载时间历程和柱体变形,评价其性能。试验结果表明,管片间存在剪切滑移。为此,提出了混凝土剪力键节段柱的设计建议。在有剪力键和无剪力键的比例节段柱上进行了类似的冲击试验[22].结果表明,混凝土剪力键在冲击荷载作用下减轻了柱节段间的滑移,但由于应力集中而导致混凝土损伤。因此,有必要进行更多的研究来寻找更好的节段柱的设计来抵抗冲击载荷。

综上所述,预制节段施工是一项很有前途的技术,在许多土木工程结构中已经展示了它与常规施工相比的优势。碳纤维(CFRP)等新型结构材料应用于节段柱的研究 [23]纤维增强混凝土(FRC)[24-26],以进一步改善能量耗散和减少损伤也已报道。Ichikawa et al.[27]超高性能钢纤维混凝土节段桥柱双向循环荷载试验研究[24] Tron等人[28]完成了某支座后张桥柱的振动台试验。摇摆柱的下部是用混杂纤维增强混凝土建造的。Yamanobe 等人.[29]研究了一种不同类型的杂交式节段结构。采用超高性能的钢纤维空心芯块作为桥墩潜在塑性铰区。在这些研究中,结构的能量耗散和损伤控制效果较好。

到目前为止,尽管对整体钢筋混凝土柱[30–]或桥面板[36–]进行了广泛的研究,但关于节段柱的抗爆性能的研究仍未见文献。随着恐怖主义活动的威胁越来越大,在爆炸荷载作用下,对节段柱的动力性能研究具有重要意义。本文对不同设计的节段柱在爆炸荷载作用下的响应进行了数值模拟研究,并与标准整体式钢筋混凝土柱进行了比较。采用爆破方案复盖中低范围的爆炸,预计整体柱上会出现严重的挠曲和材料剥落。研究了剪力键、后张拉力和消能杆对节段柱抗震性能的影响。

2.分段柱设计

为了研究节段柱在爆炸荷载作用下的受力性能,本研究中采用了两种柱设计。这两种设计的主要区别是采用了剪切键。在抗震设计和分析中,一般忽略剪力键的作用,混凝土剪力键主要用于节段之间的对中[5].这是因为在地震荷载作用下,柱体的剪力值相对较小(与冲击和爆炸引起的柱相比)较小,其主要响应模式为整体弯曲。然而,正如张等人指出的那样。[22]剪切键在冲击载荷作用下,有利于提高结构的抗侧剪切能力,减少节段漂移。但由于应力集中,带剪力键的混凝土节段在冲击过程中产生了更严重的损伤,降低了柱的刚度。本文研究了爆炸荷载作用下节段柱中剪力键的作用。

以往对节段柱抗震性能的试验研究一般采用2~6节段的柱,由于柱脚附近通常形成塑性铰,且变形方式主要为弯曲变形,柱段数对柱地震反应影响不大。另一方面,在最近的研究中[21]在节段柱受冲击载荷作用下,发现随着节段数的增加,柱体的柔韧性提高,在冲击位置附近出现多个开口,局部损伤较小。在本文的数值计算中,考虑了由五段和七段组成的节段柱,以探讨爆炸荷载作用下节段数对柱动力性能的影响。此外,本文还对预应力水平和耗能杆件在爆炸荷载作用下的受力性能进行了数值研究。

2.1.设计1:长方体部分

在第一个设计中,预制的立方节与内置钢管管道堆叠在另一个,连续的纵向中心筋通过每个管道。在数值研究中,采用连续预应力筋来施加后张拉力。柱截面是400mmfrasl;400mm。五段和七段的柱被考虑,并且两个列的有限元模型显示在图2中。五节的柱高为600mm,七段的柱高450mm;五节段的高为450mm。五段柱和七段柱的总柱高分别为3000mm和3150mm。为了将不同柱高的影响减到最小,五段柱的底段约束到100毫米的高度,七个柱的最小高度限制在250毫米,因此,两个柱的净跨距为2900毫米。

在每个管段内,埋入八个管道,每个钢管的内径和外径分别为36毫米和50毫米,箍筋钢筋/10@150毫米与钢管一起工作,以更好地约束混凝土。连续钢丝筋的直径为20毫米。上部结构的静载荷为设计轴向承载能力的20%,在整个模拟过程中保持恒定。尽管垂直方向的刚度很高,但轴向载荷逐渐施加在柱顶面上,不会产生明显的动力效应。在本文的模拟中,采用了10ms来施加轴向载荷。

连续腱段 七段柱 内置箍筋和管道

图2.长方体节段式柱设计

除分段数外,这两个柱在重量和配筋率方面基本上是相同的。

两个柱的基本单元的自由度在各个方向上都有约束,柱顶面的单元被从上部结构施加静载荷,对这些单元只释放垂直自由度。值得注意的是在图2中,垂直方向的管道间隙仅供说明之用,在实际模型中,管道长度与管段长度相等,垂直方向上相互接触。

钢筋混凝土整体柱,其纵筋和箍筋与节段配筋相同,即8/20纵向钢筋和/10@150毫米箍筋被认为是参考(参见图). 3).柱的总高度和净跨分别为3000mm和2900mm。值得指出的是,在整体式钢筋混凝土柱中,不考虑管节段柱用钢。

这种简化是基于分段管道对柱抗弯承载力贡献有限的假设。在工程实践中,钢管可以用诸如ABS、PVA等工程塑料等替代材料来代替钢管,以降低钢材的使用量和成本。

整体柱

Fig. 3. 节段柱和整体柱。

2.2. 设计2:带剪切键的分段

在第二个节段柱设计,如图4所示,混凝土节段与剪切键建造。柱子由三部分组成,即基节、中段和帽块。每个节段都用/20个纵向和/10@150毫米箍筋加固。钢管内径为40mm,外径为60mm的钢管位于每个管段的中心。采用直径为20mm的连续后张预应力筋穿过钢管,以施加后张拉力。

堆叠柱 主要构件 Reiformcent 钢管 连续杆 Fig. 4采用剪切键的分段柱设计

剪切键被认为能提供更好的抗滑性能。爆炸荷载作用于柱体时,在柱内产生应力波传播,在遇到节理时反射和折射。剪切键的存在抑制了应力波的传递,从而减轻了混凝土受拉破坏,这种破坏主要是由柱背面反射的拉应力波引起的。带剪切键的柱被假定为由7段组成,如图4所示。柱高3200mm。底部的部分被限制到300毫米高度导致相同的明确的跨度已列在前面的设计1。

3.数值模型和材料特性

本文采用显式算法处理非线性动态仿真的水力学程序LS-DYNA,进行了数值研究。在LS-DYNA中,Pseudo Tensor (MAT_16)、Brittle Damage (MAT_96)、Johnson Holmquist Concrete (MAT_111)和Concrete Damage Rel3 (MAT_72_REL3)可用于动态加载条件下的混凝土模拟。

在本研究中我们采用了Concrete_Damage_Rel3模型来模拟混凝土。Concrete_Damage_Rel3是一个基于塑性的模型,它利用三个剪切破坏面来改变形状,这取决于约束压力。该模型考虑了损伤和应变率效应。这个模型的主要优点是它是基于单一的用户输入参数,即无侧限抗压强度。剩馀的模型参数通过内置算法自动生成,也可以由用户修改。

本文采用MAT_ Piecewise_Linear_Plastic ( MAT_24 ) 模拟了目前研究中的钢筋和管道。该模型可以定义任意的应力-应变曲线和任意应变速率曲线。此外,基于塑性应变或最小时间步长的失效可以定义。在目前的案例研究中,应力应变曲线简化为双线性常切线模量。表1总结了当前研究中的材料特性。

应变率效应已被公认为对材料动态性能有影响,有关混凝土的文献中可以找到广泛的研究结果[39]钢铁[40].在目前的研究中,两种材料模型都考虑了应变率效应。根据混凝土抗压强度和抗拉强度的动态增长系数 ( DIF ) 定义为[41]通过修正,消除了动态冲击试验中侧向惯性约束和端部摩擦限制对扩散系数的贡献,从而在描述混凝土材料的动态特性时更加准确。钢

原文和译文剩余内容已隐藏,您需要先支付 20元 才能查看原文和译文全部内容!立即支付

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。