预应力混凝土空心墩拟静力试验与数值分析

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力混凝土空心墩拟静力试验与数值分析
王军文，
(1．石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保
2．济南铁路局聊城工务段，山东聊城
张伟光，李建中。
障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄050043；
252000；3．同济大学桥梁工程系，上海200092)
摘要：为研究预应力混凝土空心墩的抗震性能，对4个空心墩模型进行拟静力试验研究，并
基于试件的破坏特征、滞回性能等试验结果，利用0penSees软件，采用纤维梁柱单元模拟各空心
墩在拟静力荷载下的力学行为，对比分析预应力混凝土整体式空心墩、装配式空心墩与钢筋混凝土
空心墩的拟静力行为。结果表明：在钢筋混凝土空心墩中配置竖向无粘结后张预应力筋，可提高其
刚度与水平抗力，增强滞回曲线的捏缩效应，减小残余位移，对累积滞回耗能影响不大；与整体式空
心墩不同，添加耗能钢筋的预应力装配式空心墩没有出现明显的塑性铰区，曲率分布和剪切错动主
要集中在墩底接缝处，滞回曲线呈明显的捏缩状，损伤程度较轻，其刚度、累积滞回耗能分别约为钢
筋混凝土空心墩的100 9／6、73 ；建议的模型和方法能较准确地预测预应力空心墩的拟静力行为。
关键词：预应力混凝土结构；空心墩；装配式桥墩；拟静力试验；模型试验；有限元法；纤维单元
模型；数值分析
中图分类号：U442．5；TU317．1 文献标志码：A
Quasi_Static Tests and Numerical Analysis
of Prestressed Concrete Hollow Pier
WANG Jun—wen ，ZHANG Wei—guang。。LI Jian—zhong。
(1．Key Laboratory of Roadway and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education，
Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2．Liaocheng Section of Maintenance
of W ays，Ji nan Railway Administration，Liaocheng 252000，China；3．Department of Bridge
Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
Abstract：To study the seismic performance of prestressed concrete (PC) hollow pier。the
quasi—static tests for the 4 hollow pier models were made．Based on the tests of the damage charac—
teristics and hysteretic behavior of the pier specimens，the mechanica1 behavior of each pier subjec—
ted to the quasi—static load was simulated by the fiber beam-colum n element，using the OpenSees
software and the quasi—static behavior of the monolithic PC hollow pier。precast segmental PC hol—
lOW pier and reinforced concrete(RC)hollow pier was compared and analyzed．The results of the
analysis demonstrate that the arrangement of the vertical unbonded post—tensioning bars in the RC
hollow pier can im prove the stiffness and horizontal resistance capacity of the pier， increase the
pinching effect of the hysteretic curves and decrease the residual displacement，but will not cause
great influence on the cumulative hysteretic energy dissipation． Unlike the monolithic PC hollow
pier，the precast segmental PC hollow pier added with the energy dissipation bars does not have
收稿日期：2014—11—03
基金项目：国家自然科学基金项目(90815007)；河北省自然科学基金项目(E2011210028、E2015210038)
Project of National Natural Science Foundation of China(90815007)；Project of Natural Science Foundation of Hebei Prov
ince(E2011210028，E2015210038)
作者简介：王军文，教授，E—mail：wjunwen2901@163．com。研究方向：桥梁抗震。
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64 桥梁建设Bridge Construction
the obvious plastic hinge zone．The curvature distribution and shear deformation mainly concen—
trate in the joint of the pier footing，the hysteretic curves exhibit the obvious pinching state，the
damage to the pier is slight and the stiffness and cumulative hysteretic energy dissipation respec—
tively accounts for about 100 and 73％ of those of the RC hollow pier．The proposed models
and method in this paper can be used to accurately predict the quasi——static behavior of the PC hol——
low pier．
Key words：prestressed concrete structure；hollow pier； segmental pier；quasi—static test；
model test；finite element method；fiber element model；numerica1 analysis
1 引言
预应力混凝土装配式桥墩已被证明是加快桥梁
建设和减少交通阻断的有效方法。然而，由于缺乏
对预应力混凝土装配式桥墩在高烈度地震区抗震性
能的认知，限制了该种桥墩的广泛应用。因此通过
拟静力试验与数值分析方法研究预应力混凝土装配
式桥墩的抗震性能显得极为重要。
Hewes等、Palermo等、Dawood等、葛继
平对后张无粘结预制拼装式节段实心墩进行了拟
静力试验研究，Ou等 ]、赵宁针对预制拼装式节
段空心桥墩开展了拟静力试验。Lee等口使用DI—
ANA软件用带弥散裂缝的平面应力单元分析预制
拼装式节段桥墩的拟静力行为；葛继平l4]、赵宁¨6 利
用OpenSees中纤维梁柱单元模型，用素混凝土短
柱模拟接缝，分析了预制拼装式节段桥墩的拟静力
行为，张博瞍 ]利用ANSYS软件采用空间实体有
限元分析了预制拼装式节段桥墩的拟静力行为，布
占宇等_9 基于截面弯矩～曲率分析提出了一种预制
桥墩抗震计算的解析方法。目前的研究主要集中在
预制拼装式空心墩的拟静力试验与数值计算方面，
而详细比较钢筋混凝土空心墩、预应力混凝土整体
式空心墩、装配式空心墩拟静力性能的试验研究较
少；在现有的数值计算方法中，带弥散裂缝的平面应
力单元模型与空间实体有限元模型复杂，计算量太
大，解析方法简单却无法计算滞回反应。为此，本文
通过拟静力试验重点研究预应力混凝土整体式空心
墩、装配式空心墩的破坏形态、滞回性能等；并通过
与拟静力试验结果的比较，讨论了预应力混凝土整
体式空心墩、装配式空心墩拟静力行为的数值模拟
方法。
2 试验概况
2．1 试件设计
共设计4个空心墩试件，其中1个为钢筋混凝
土试件(编号RC)，另3个预应力混凝土试件的编号
和主要设计参数见表1，各试件的构造见图1。其中
预应力混凝土装配式试件墩身等分为s1～s3三个
节段[图1(c)]，底座与S1节段用钢板隔开，其余节
段间为干接缝，试件配筋布置见图2。混凝土设计
为C30，纵筋采用~12的HRB335热轧钢筋，配筋率
为2．O2 ，箍筋采用 6的R235光圆钢筋，塑性铰
区、非塑性铰区的箍筋间距分别为5O mm、100 ran1，
上部结构自重产生的轴压比为10 ，试件UBPC一1、
试件UBPC一2、试件UBPC一3由预应力荷载产生的
轴压比分别为15 、10 、15 0．4。为防止预应力混
凝土装配式试件底部早期破坏，在S1节段的底部四
周设置了小角钢，并将耗能钢筋在承台和s1节段的
接缝处设置长度为100 mm 的无粘结段。
2．2 试验所用材料性能
整体式桥墩试件(RC、UBPC一1)及装配式桥墩
试件(UBPC一2、UBPC一3)的底座、S1节段、S3节段、
墩帽采用商品混凝土一批浇筑，装配式试件的S2节
段采用自拌混凝土在s1节段浇完7 d后浇筑。其
中商品、自拌混凝土的圆柱体抗压强度实测值分别
为35．6 MPa、19．3 MPa，弹性模量实测值分别为
35．2 GPa、29．6 GPa； 12、 16、 6钢筋的屈服强度
实测值分别为291，384，311 MPa，极限强度实测值
分别为417，559，527 MPa。