冷弯中厚壁矩形钢管自密实混凝土桥墩抗震性能研究

纵向加劲的冷弯矩形钢管自密实混凝土柱式桥墩，是一种承载力高、抗震性能好、加工简单的新型组合结构。本项目运用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统研究了内部纵向加劲肋、混凝土等对冷弯中厚壁方钢管混凝土短柱及柱式桥墩的受力性能的影响：(1)通过对一系列冷弯方钢管柱(10件)、冷弯方钢管混凝土短柱(30件)的承载力试验研究，得出了内部设置的加劲肋、混凝土掺量等对短柱极限承载力、截面强度、延性以及承载力破坏机理等的影响；提出了与试验相符的短柱承载力数值分析模型；同时，基于国内外现行相关规范，提出了适合中厚壁冷弯方钢管、方钢管混凝土组合截面强度计算的方法与建议；开展了冷弯方钢管混凝土短柱(8件)推出试验和数值模拟，初步研究了加劲肋布置方式对钢管和混凝土间粘结性能的影响。(2)结合某互通桥梁工程，首先实现了冷弯钢管混凝土组合柱式桥墩截面初步设计；然后通过数值模拟对比研究了新型组合桥墩和工程所采用的钢筋混凝土柱式桥墩受力性能，进行了组合桥墩截面优化分析，同时基于优化截面分析了内部加劲肋对桥墩静力性能的影响；最后初步评估了现行规计算方法以及组合桥墩的经济性。(3)结合理论分析和数值拟结论，主要研究了内部纵向加劲肋布置对凝土组合桥墩的基本抗震性能的影响，提出了此类组合桥墩抗震设计(塑性铰区域设计)方法的建议。上述研究成果有利于推动冷弯中厚壁型钢结构及其钢管混凝土结构的理论发展，有利于推广此类新型组合墩柱在高架桥、互通式立交桥、高速公路桥以及人行桥等工程中的应用，具有重要的理论价值和现实意义。 2100433B

内设加劲肋的冷弯中厚壁矩形钢管自密实混凝土桥墩，是一种新型组合结构，具有承载力高、抗震性能好、加工简单、施工快捷等优点；合理设计组合柱内部加劲肋能达到优化设计塑性铰区域的目的。本项目采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法：研究冷弯中厚壁矩形钢管自密实混凝土柱强度计算方法，结合工程实例开展桥墩模型拟静力试验；揭示新型组合桥墩的抗震破坏机理，并运用基于位移的适应谱Pushover方法，分析加劲肋设置方式、截面形状系数、长细比以及混凝土强度等级等因素，对新型组合墩柱振型、频率、承载能力、变形能力、耗能能力、刚度、破坏形态、塑性铰区域优化设计等的影响；探讨实用的基于位移的新型组合桥墩抗震设计与分析方法。项目研究成果有利于推动冷弯中厚壁型钢结构及其钢管混凝土结构的理论发展，有利于推广此类新型组合墩柱在高架桥、互通式立交桥、高速公路桥以及人行桥等工程中的应用，具有重要的理论价值和现实意义。

伴随当今建筑材料发展及我国钢铁产业调整，推进高强钢筋高性能混凝土于桥梁中应用是必然趋势。然而目前缺乏对配置HRB400MPa及以上等级高强钢筋高性能混凝土桥墩抗震性能及在强震区桥梁上应用等研究，本项目针对采用高强钢筋、高性能混凝土（包括自密实混凝土）的混凝土桥墩开展研究，主要研究内容有：①高强钢筋、高性能自密实混凝土粘结锚固性能试验研究；②针对不同构造形式的高强钢筋高性能混凝土（包括自密实混凝土）单柱墩及框架墩的拟静力试验，以及受水平双向往复荷载作用的单柱墩拟静力试验；③高强钢筋高性能混凝土单跨桥梁的振动台试验；④基于粘结锚固试验及拟静力试验，建立考虑钢筋与混凝土粘结滑移的数值分析模型，研究高强钢筋高性能自密实混凝土桥墩的抗震性能。主要成果有：①由高强钢筋和自密实混凝土的粘结锚固试验表明，钢筋与自密实混凝土的粘结性能受锚固长度、保护层厚度及配箍率等影响，且往复拉压加载会降低钢筋的极限锚固强度；②由高强钢筋自密实混凝土单柱墩的拟静力试验表明，未经振捣的自密实混凝土单柱墩的抗震性能弱于普通振捣混凝土桥墩，建议混凝土施工中采用微振捣措施，以高强钢筋减少纵筋配筋率的桥墩也具有较好的延性和耗能能力。水平双向加载对单柱墩的初始刚度影响不大，却使结构最大承载力下降约30%。采用高强钢筋混凝土的预制拼装桥墩抗震性能不同于整体现浇桥墩；③高强钢筋高性能混凝土单跨桥梁的振动台试验表明，单柱墩发生弯曲破坏且具有较好的延性，但滞回曲线与拟静力试验相比偏瘦扁；④基于OpenSees的纤维单元理论，采用墩底附加零长度截面单元来考虑钢筋滑移而建立的数值分析模型可以反映试验试件的刚度退化、强度退化等行为，分析表明，混凝土和钢筋滑移的本构参数对桥墩的抗震性能有一定影响。通过本项目的试验和数值分析研究，初步掌握了高强钢筋高性能混凝土（包括自密实混凝土）桥墩的抗震性能及影响因素，为该类型桥墩在我国高地震危险地区的应用提供了一定的技术积累。 2100433B

从国家战略发展角度以及桥墩建造出发，在桥墩中采用高强钢筋并配合新型高强、高性能自密实混凝土的使用是将来发展的必然趋势，可减少钢筋用量、改善钢筋布置的密集程度，增强混凝土的可浇筑性，从而降低劳动力成本、提高混凝土浇筑质量，实现便利的绿色施工。随着高强钢筋高性能自密实混凝土桥墩在高地震危险区域的应用，抗震性能如何成为阻碍这类桥墩应用的一个迫切需要解决的研究课题。本项目拟开展：1）桥墩的拟静力和振动台试验，研究单柱和框架墩、实心截面墩和空心截面墩、塑性铰区传统配箍形式和复合配箍形式等不同构造方式下该类桥墩的滞回特性、延性变形、耗能特性和破坏模式等；2）建立正确的考虑钢筋与混凝土粘结滑移的桥墩抗震性能理论数值分析模型和计算方法，并开展高强钢筋高性能自密实混凝土桥墩影响因素的数值分析研究。为其在高地震危险区域的工程应用提供可靠的技术支持、理论基础和试验研究资料。