FRP-混凝土-钢双壁空心管桥墩节点抗震性能及设计方法研究

Hybrid FRP-concrete-steel double-skin tubular columns (DSTCs), a novel form of hybrid columns, consists of an outer tube made of fiber-reinforced polymer (FRP) and an inner tube made of steel, with the space between filled with concrete. This new form of hybrid members represents an innovation which combines the advantages of all three constituent materials and its excellent earthquake and corrosion resistance make it potentially a great competitor of RC bridge pier. So far, behavior of hybrid DSTC itself have been systematically and thoroughly studied. However, for DSTCs to be used as bridge pier, it is essential to connect DSTCs with other reinforced concrete members, such as cap beam and pile bent or foundation. And the domestic and foreign research on this issue is still blank. ..The project will study seismic behavior of footing of DSTC bridge pier and connection between DSTC pier and RC cap beam through experiment, finite element and theory analysis. On the basis of the FE model refined and verified by experimental results, a parameter study on thickness of steel cap plate, embedment length of steel connector and thickness of GFRP tube will be conducted to develop its loading-transferring mechanism and moment-rotation relationship. And schemes of footing and connection will be optimized to investigate seismic behavior of two-column bridge pier system. Ultimately, the analysis and design methods for bridge structures incorporating hybrid DSTCs will be proposed for application purpose.

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱作为一种新型的组合结构，由外FRP管、内钢管和填充在两者之间的混凝土组成，具有优越的耐腐蚀性和抗震性能，特别适用于桥梁墩柱。现今，对于该新型柱本身的性能已有系统而深入的研究，但如果要实现其在桥梁工程中的应用，FRP-混凝土-钢双壁空心管桥墩与上部盖梁、下部桩排架（或基础）连接处的性能必须得到充分的研究，但迄今为止，对此问题国内外的研究尚属空白。.本研究拟通过试验研究、数值模拟和理论分析等手段，首先从构件层次揭示该新型桥墩柱脚节点和盖梁节点的抗震性能，分析节点区钢盖板厚度、钢连接件锚固长度和墩柱FRP管厚度对节点抗震性能的影响，提出节点传力模型、弯矩-转角恢复力模型等，并得出经济而有效的节点形式和构造，设计出双柱式节点框架方案，进而从结构层次研究其抗震性能。最终将建立该新型桥墩结构的抗震设计方法，为其在实际工程中的应用提供重要的理论依据。

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱作为一种新型的组合构件，由外FRP管、内钢管和填充在两者之间的混凝土组成，具有非常优越的耐腐蚀性和抗震性能，在桥梁结构中极具应用价值。..本课题采用试验研究、数值模拟与理论分析相结合的研究方法，从材料、试件及结构三个层次对FRP-混凝土-钢双壁空心管墩柱与下部基础/上部盖梁连接节点的抗震性能展开研究，研究内容包括：（1）FRP管力学性能测试方法；（2）FRP管双向非线性行为对FRP约束混凝土轴压性能的影响；（3）内填自密实混凝土FRP管柱和FRP-混凝土-钢双壁空心管柱的力学性能；（4）整体现浇式FRP-混凝土-钢双壁空心管桥墩柱脚/盖梁节点抗震性能；（5）预制装配式FRP-混凝土-钢双壁空心管桥墩柱脚/盖梁节点抗震性能；（6）FRP-混凝土-钢双壁空心管墩柱节点抗震性能的有限元分析；（7） FRP-混凝土-钢双壁空心管墩柱、拱肋节点的工程应用推广；（8）FRP-混凝土-钢双壁空心管墩柱桥、拱桥设计和建造方法的应用实践。..本项目的成果包括：（1）设计了5种测量FRP管轴向和环向性能的试验装置和方法；（2）研究发现纤维缠绕角度对于FRP缠绕管的非线性特性具有很大的影响，并提出了考虑FRP管双向非线性的FRP约束混凝土模型；（3）揭示了自密实混凝土由于自身较大的收缩对内填混凝土FRP管柱和双壁空心组合柱的力学性能具有不利的影响，宜在其中添加适量的膨胀剂，其最佳掺量为4~8%；（4）揭示了组合柱的钢管在基础或盖梁中的埋置深度是影响节点破坏模态和抗震性能的关键因素，并提出了组合柱钢管在基础或盖梁中的埋置深度不应小于1.5 倍柱直径的建议以及节点的构造措施；（5）提出了3种组合柱节点形式及其建造方法，其中的柱脚节点形式用于了实际的FRP-混凝土-钢双壁空心管墩柱桥和拱桥结构中；（6）结合工程应用实例，提出并总结了FRP-混凝土-钢双壁空心管墩柱桥和拱桥的基本设计原理和方法，为FRP-混凝土-钢双壁空心管构件的推广应用奠定了坚实的基础。