桥墩弯剪模式的试验研究及有限元分析外文翻译资料

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桥墩弯剪模式的试验研究及有限元分析

摘要：在最近发生的地震中，大量钢筋混凝土桥梁由于弯剪混合破坏模式的特性而受到严重破坏。本论文中描述了一个集成实验和有限元分析研究，研究在弯曲剪切模式下的桥墩的抗震性能。第一章中，实验研究了六个圆形截面的钢筋混凝土桥墩的非线性循环荷载试验。对桥墩的破坏状态、延性和耗能参数、刚度退化和抗剪强度进行了研究和比较。实验结果表明，所有桥墩具有稳定的弯曲响应的位移延性，直到第四段才表现出脆性剪切破坏。桥墩的极限性能受剪切力控制，而由于显著的剪切开裂的能力，并在某些情况下，螺旋杆会发生断裂。第二章则是利用ANSYS软件，建模研究桥墩的滞回特性。通过实验结果的对比，选择一组不同参数的模型进行评价。结论是剪切滞留的影响因素包括混凝土裂缝系数，纵筋包申格效应，纵筋和模拟的滞回曲线混凝土和混凝土破坏表面之间的粘结滑移关系进行讨论。然后，提出了一种改进的分析模型，并通过比较模拟结果与实验结果验证了该模型的准确性。本研究采用的模型在商业有限元代码的目的是为研究人员和工程师在利用ANSYS软件对钢筋混凝土结构的滞回性能感兴趣。

关键词：钢筋混凝土桥墩；弯剪破坏；抗震性能；有限元；ANSYS软件

1. 引言

在最近发生的地震，包括1995年神户大地震（桥本等作者.，2005），1999集集大地震（常等作者.，2000），2008年汶川地震，由于钢筋混凝土桥墩混合弯曲剪切破坏的结果，大量的桥梁受到严重破坏。图1显示了一些这类的百花大桥和回澜立交桥失败的例子。对于后者的桥，四个桥墩遭受严重破坏弯剪模式和轻微至中等程度的弯剪裂缝在许多其他桥墩观察。

易弯曲剪切破坏的桥墩是短柱，在2.5 - 1.5之间有一个剪切跨/深比，其极限性能受脆性剪切力控制。因此，研究其抗震性能，提高地震评价和改造技术，是非常重要的，尽管研究的日益增多对钢筋混凝土桥墩抗震性能（普莱斯利等作者，1987；贾拉丹等作者.，1998，1999；韦赫贝等作者.，1999；叶青等作者.，2002；雷曼等作者.，2004），研究了弯曲剪切为主的钢筋混凝土桥墩是恐慌。在对等（太平洋地震工程研究中心）数据库中的弯曲剪切为主的悬臂梁钢筋混凝土柱的测试样本数量仅为八（贝利等作者.，2004）。

在本文中，进行了一个非线性循环荷载试验的六个钢筋混凝土桥墩的弯曲剪切破坏模式进行了研究。损伤状态，延性和能量耗散参数，刚度退化和剪切强度的码头，进行了研究和比较。然后，建模描述桥墩的滞回特性的方法是利用ANSYS软件分析。通过与实验结果的比较，选择一组不同的参数的模型和评价。影响剪力传递系数之间的裂缝，在纵筋包申格效应，纵向钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系，并对模拟结果进行了混凝土的破坏面。最后，提出了改进的分析模型及其精度进行了实验结果。

1. 实验研究

2.1样本描述

六钢筋混凝土桥墩试件约占1/3规模的原型桥墩的设计和建造，被分别指定为A1 A2、A3， A4，A5和A6。。样品的详细信息如图2所示，它们的设计参数列于表1。屈服强度测量的14纵筋与6螺旋杆327.6 MPa和511 MPa。围加固按照美国公路桥梁设计规范2005，交通局2001和欧洲规范8 1994的要求，规定了圆形钢筋混凝土桥墩表示式：公式（1）（2）和（3）。表2给出了这些表达式所获得的螺旋增强比率。其结论是，只有标本A6满足所有这些规定。

但不小于 （1）

（2）

（3）

式中是螺旋配筋率，是桥墩截面的总面积，是核心混凝土的截面面积，是螺旋钢筋的屈服强度，是施加的轴向载荷，是所需的曲率延性系数，13球墩7墩有限的韧性，是轴压比，是机械配筋率。

（4）

延性墩取，有限延性墩取。

2.2测试设置和加载顺序

每个试样的测试设置如图3所示。试样底部是螺栓连接到一个强大的钢筋混凝土基础，其顶部是由一个垂直的致动器，以提供一个恒定的轴向载荷。此外，横向力施加在试样的顶部，由2个水平的致动器，这是安装在反应框架。

每个试样的测试设置如图3所示。试样底部是螺栓连接到一个强大的钢筋混凝土基础，其顶部是由一个垂直的致动器，以提供一个恒定的轴向载荷。此外，横向力施加在试样的顶部，由2个水平的致动器，这是安装在反应框架。

图4所示的横向荷载历史适用于所有的标本。负载周期分为2个阶段：负载控制和位移控制。负荷控制阶段是用来定义墩试验屈服位移；此外，采用位移控制加载顺序。位移控制的加载历史包括三个完整的周期，每个=1，2，3，......，直到剪力墩的能力下降和85%的峰值负载。在这里，是施加的侧向位移的桥墩顶部的屈服位移。

如图4（a），侧向荷载的前三次是应用于70%的理论产率负荷，这是基于纤维模型和测量材料特性计算。屈服位移是由外推从原点直线通过实测点对应的0.7的理论屈服载荷确定的位移值，在正面和负面的加载方向作为屈服位移的平均值。

2.3观察到的破坏状态

损伤的进展是相似的所有的标本。垂直于桥墩的弯曲裂缝在靠近底部的区域开发的第一个轴标本。在加载的后期阶段，弯曲裂缝成倾斜和延伸到中性轴受剪切影响的试样。然后，初始剥落的混凝土盖被观察到，一旦混凝土保护层完全剥落和螺旋纵向钢筋外露，纵向杆屈曲和混凝土内部开始的破碎下一个位移循环。最终的性能的桥墩是占主导地位的剪切能力，由于明显的剪切开裂和在某些情况下破裂螺旋杆。图5显示了最后的损坏状态试验结束时的试样。注意初始纵向和螺旋增强的产生也用应变计测量，如表3所示。

研究桥墩的关键损伤状态对其研究有重要的参考每一个损害状态可能与一个或多个工程极限状态。在这项研究中，第一次出现对每一个键的破坏状态，如纵向钢筋屈服，混凝土初始剥落盖，螺旋加强筋，露出纵向钢筋，纵向加固屈曲，螺旋断裂，确定在表3。

所有样品的侧向力-位移响应如图19所示。这些数字表明，Delta;侧向位移在码头和F的顶部是作用于试样的侧向力。

混凝土裂缝宽度是很重要的桥梁桥墩损伤程度的评估。在这项研究中，弯曲和剪切裂缝宽度omega;在测试中使用了一个读数显微镜测量。图6显示测量的最大裂缝宽度在每个位移延性水平定图8。在一般情况下，弯曲和剪切裂缝宽度几乎是相同的小排量水平。在大位移水平，剪切裂纹增长速度快于弯曲裂纹，这可能是一个重要的特征弯曲剪为主的钢筋混凝土桥墩。

在1995次神户大地震中，桥墩与桥墩剩余倾角（零侧移位移受墩高的高度大于1被拆除，因为它使得放置梁困难造成视觉不安（藤野等作者.，2005）。这个残余的倾向在每个位移延性每个试样的水平绘制于图7。它是从图中明显的残余倾向的增加而线性位移延性的因素，A5、A6和试样具有最大纵配筋率和最大残余倾向各位移级。

2.4延性和耗散能

在这项研究中，Sheikh和Khoury (1993)对延性参数提出了建议，Leacute;geron和Paultre（2000）被用来评价其抗震性能标本的。图8描述的各种延性参数包括位移延性系数mu;Delta;累积位移延性比NDelta;，归一消耗的能量，工作指标和工作信息，损害mu;Delta;指标W和NDelta;代表变的成员，EN和IW是用来评估

能量耗散能力，而瓦特估计韧性。表4列出了所有测试样本的延性参数。请注意，延性系数测试样品的范围从5.14到7.48，和大多数的横向钢筋试样A6具有最大的延性和耗散的能量参数。

2.5刚度退化

为了比较，计算出的刚度位移是标准化的刚度前三个周期。归一化刚度

试样的位移延性系数如图9所示，在lambda;mu;指示的比随后的位移延性水平刚度

对于初始位移延性水平和mu;Delta;指示位移延性系数。请注意所有试样的刚度退化是非常类似的。

2.6抗剪强度

估计钢筋混凝土桥墩抗剪强度进行研究的四种方法：2001模型，欧洲规范8 1994模型，普莱斯利模型（1994）和双模式（2004）

第一个模型是基于该剪的设计方程，它表示为：

在VC和VS由混凝土和螺旋状，分别设置抗剪；AB是螺旋筋截面面积；D是外围螺旋中心之间的距离。二模型是基于欧洲规范8抗剪设计方程可表示为：

公式中是螺旋直径，直径为圆柱直径。第三个模型，一个由普莱斯利等人提出的公式，表示为

是由轴向载荷提供的抗剪力，是混凝土的不利因素；是在一列中的受压区的深度。

第四个模型，由Bi（2004）提出，表示为：

注意到样品 A1和A5，除了普里斯特利模型，大量剪切力比测试结果，其他三个模型的预测的剪切能力与可接受的精度都很高。所有的四个模型的预测的剪切能力A2标本，但标本的剪切力A6则不是。对所有样品的A3模型剪切力的预测均符合。欧洲规范8模型，从失败的样品可以在较低的剪切强度比与太多的测试结果。供样品4中，欧洲规范8剪切能力模型非常接近的两个最大剪切力从测试，但剩余的三大模式提供抗剪能力比的测试结果。

3.数值模拟研究

接下来使用商用有限元分析软件ANSYS的（2004）模型的钢筋混凝土桥墩对滞回性能进行评价，以及ANSYS软件进行有限元（FE）的码头标本分析。首先，对试样的A3系列的有限元模型，利用ANSYS软件建立了评价材料的影响滞回响应模型及其相关参数。然后，提出了一种改进的分析模型，并通过比较计算出的滞回曲线与实验结果验证模型的准确性。

65号单元具有破碎（压缩）和开裂（拉伸）的能力被用来模拟混凝土。然后使用链接8桁架单元建模。45号单元被用于在支撑和在负载下的钢板。在混凝土构件和桁架单元之间的粘结滑移的影响进行了模拟使用组合的39要素。

考虑约束效应，Mander模型（Mander等作者.，1988）的承压应力应变

完全塑性假设的关系，经过最终的压缩强度是用来定义混凝土的本构关系。同时，该多线性随动强化关系使用米塞斯屈服准则，也被采纳。此外，在威廉和沃纳克五参数模型作为在多轴应力混凝土的破坏准则条件下，在该故面被定义至少2个常数：混凝土的极限单轴拉伸强度，，和最终的单轴压缩强度 。利用几何对称性和加固的试样，只有一半的标本为蓝本。图11显示了有限元模型试样A3。

3.1剪切滞留系数的影响

开裂后，混凝土构件中的拉应力被设置为零，在裂纹面方向为零。剪切传递系数为开闭合裂缝的裂缝和裂纹，确定了裂缝的数量。的剪切传递系数的值范围从0到1，与“0”，在一个裂缝处的代表没有剪切转移和1表示全切。在这项研究中，假定为0.3，0.5和0.2，而对于封闭裂缝的剪切传递系数的假设为0.5，0.95和0.7，分别为开放裂缝的剪切传递系数。如图12所示，使用不同的剪切传递系数的模拟的滞回曲线几乎是相同的。因此，可以得出结论，在这项研究中的模拟滞回响应的剪切传递系数没有一个明显的影响。这可能是因为固定裂缝模型在ANSYS软件不能准确反映混凝土裂缝的剪力传递能力。

3.2包申格效应的影响

探讨包申格效应的纵向钢筋在模拟桥墩试件的滞回性能，使用了两个模型：双线性随动硬化（BKH）不包申格效应模型（模型1），和多线性随动强化（MKH）和包申格效应模型（模型2）（见图13（a）和（b））。图1给出了14和2的模拟滞回曲线图。注意，在纵筋包申格效应对挤压效应的滞后响应的影响较大。

3.3粘结滑移效应的影响

为研究纵向钢筋与混凝土之间的粘结滑移对桥墩试件的模拟滞回响应的影响有限元模型：模型3和模型4。在模型3中，混凝土和纵向钢筋之间的完美结合是假设，而在模型4中的粘结滑移是成立的。如图15所示，对于界面元素的粘结滑移模型简化成线性关系sigma;滑移强度C具有恒定应力后的滑动位移。实验结果混凝土之间的粘结滑移关和纵向加固，不可用在这个模型的时间。因此，对于和代表值为10 MPa和0.1mm。图16描绘模拟的滞回曲线通过模

3和4。这是公认的，有一定的滑移会导致在滞后响应的挤压效应。同时，模型4预测低侧向荷载大的侧向位移由于粘结滑移的影响。

3.4混凝土破坏面影响

据文献，如果开裂和破碎能力Solid 65单元是ANSYS软件激活，虚拟破碎的混凝土可能由于耦合引起的过度裂化株正交开裂方向通过泊松效应。这可能是造成分歧的解决方案在以后的阶段（周等作者，2004）的原因之一。因此，在大多数以前文献，混凝土的破碎能力被关闭，混凝土的破碎破坏，被忽略（Si等作者，2007）。

显然，在该模型中，混凝土的破碎能力是无法预测的所有的试样的故障特征。然而，也发现在这项研究中，如果使用是用来定义的混凝土破坏面，有限元模型会过早失败（图17）。

为了模拟混凝土在进行试验中的破坏性破坏，采用了扩大的破坏面，即1.2 - 2倍是用来定义失败的表面，但正常的应力-应变曲线还可以用来定义混凝土的本构关系。图18所示为混凝土扩大破坏面模拟的滞回响应。它的结论是，该模型使用扩大的破坏面混凝土预测的桥墩的荷载-位移关系。

3.5修改后的有限元模型

在上述分析的基础上，提出了一种改进的有限元模型。在这个模型中，多线性随动强化模型用于包括包辛格循环荷载作用下的纵向钢筋，纵向钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系是通过结合39元记录，并扩大故障面混凝土是用来模拟混凝土压碎试验中，可防止“虚拟破碎”在模拟混凝土。模拟迟滞曲线与实验结果相比，如图19所示，在那里它被看到的计算的滞回曲线对应的实验的。

4.结语

本文研究了一种综合的实验和有限元分析研究，研究了弯曲剪切模式下的桥墩抗震性能。在第一部分中，一个循环的横截面的六个钢筋混凝土桥墩的非线性循环荷载试验，和所有的桥墩在弯曲剪切模式失败。第二部分，利用ANSYS软件进行建模描述桥墩的滞回性能方法。

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