地震作用下预制拼装桥墩破坏模式和直接基于位移的设计

Joint connection configuration plays an important role in preventing collapse damage of precast segmental bridge columns during earthquake, but the influence mechanism is not clear yet.Investigation reveals that precast segmental bridge column rotates about connection joit concentrately, and not about the plastic hinge with certain length. In that we proposed the simplified analytical model of rotating about connection joint. The effect of mild steel reinforcement stress penetration, fatigure fracture and squash of local concrete was explicitly modeled.Then pseudo static test and shaking table test will be carried out to varify the proposed analytical calculation method. The decreasing of shear resistance by joint opening and reducing compression area in flexural state is not involved in precast segmental bridge column design specifications.A joint shear failure calculation model considering bending moment, axial force and shear force is suggested.Regression analysis will be performed with joint shear resistant test data. The double blindness of common force-based seismic design method lies in determining displacement with known force by elastic tangential stiffness and specifying force reduction factor by displacement ductility. The formation of elastic displacement response spectra, equivalent substitute structure, ductility vs effective viscous damping for different hysteretic rule columns and the modify relation between non-elastic displacement response spectra and elastic response spectra will be explored. This research provides new pathway and solution scheme for seismic damage mechanism and aseismic design of precast segmental bridge columns.

节点连接构造在防止预制拼装桥墩地震倒塌破坏中具有重要作用，但影响机理不详。研究显示预制拼装桥墩塑性转动不是绕一定长度塑性铰，而是绕接缝集中转动。因此，我们提出绕接缝转动简化分析模型，对钢筋应力渗透、疲劳断裂和局部混凝土压溃引起的极限后负刚度进行准确模拟，拟进行拟静力试验和振动台试验对计算方法进行验证。设计规范中没有考虑预制拼装桥墩弯曲后接缝张开受压区面积减少对抗剪能力的影响。我们提出考虑弯矩、轴力、剪力三项荷载的节点剪切破坏计算模型，拟通过节点抗剪试验数据进行回归分析。基于位移的设计方法可以避免基于力的设计方法中已知力根据弹性切向刚度确定位移，再根据位移延性进行力的折减时的双重盲目性。我们拟研究弹性位移反应谱的生成，等效替代结构，不同滞回规则桥墩的延性-等效粘滞阻尼关系，非弹性位移谱与弹性位移谱的修正关系。此研究为预制拼装桥墩地震破坏机理和抗震设计方法提供新的思路和解决方案。

预制拼装桥梁施工方法优点在于将大部分桥梁施工作业从现场转移到预制工厂，从而实现快速施工，降低施工过程废渣和噪声污染，减少桥梁施工期间的交通拥堵状况，或者用于灾后生命线工程快速修复恢复通车等，并最终推动桥梁施工的工业化。.研究内容主要分为三部分：预制拼装桥墩整体受力破坏机理的试验及理论模拟分析、节点抗剪的试验及模拟分析和直接基于位移的设计方法。.预制拼装桥墩整体受力破坏机理的试验及模拟分析方面主要开展了拟静力试验、振动台试验、滞回分析模型、塑性铰区现浇拼装式桥墩拟静力试验。观察和记录了桥墩水平力加载破坏全过程，分析了各种混凝土、普通钢筋和预应力筋应变以及接缝张开和混凝土压碎破坏与侧向位移的关系，提出了单节点转动、多节点转动、简化设计计算方法和耗能钢筋无粘结长度的设计方法等；提出了改进的刚度退化滞回模型，用于分析预制拼装桥墩的地震时程响应；提出的塑性铰区现浇预制节段拼装桥墩解决了预制拼装桥墩无法适应现有抗震设计规范有关塑性铰区域设计内容的问题，可以作为一种从现浇桥墩向预制节段拼装桥墩的过渡产品。.节点抗剪的试验及模拟分析主要研究了预制拼装节点受力的三维有限元模拟、二维有限元模拟、接缝抗剪试验和接缝抗剪理论分析等内容。接缝抗剪试验的结果与规范及文献建议的抗剪能力计算公式进行了比较，并根据接缝抗剪试验结果回归分析得到剪切承载力经验公式。.直接基于位移的设计方法主要开展了等效线性化方法和基于非弹性反应谱的位移设计方法研究。等效线性化方法修正了原有的刚度衰减自复位滞回模型，推导了适合自复位预制节段拼装桥墩的等效阻尼比，配合基于桥墩最大位移反应的等效周期，可用于位移设计法中建立目标延性系数与桥墩设计强度之间的关系；提出了预制拼装桥墩直接基于位移的设计方法和流程。.上述研究为预制拼装桥墩工业化提供了技术支持，通过实验和理论研究的探索，找到适合施工实践的合理构造，并提出适合设计人员掌握的设计方法，为后续的地方性设计规程的制定打下了基础。