关于钢桥基础系统韧性的新设计细节外文翻译资料

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关于钢桥基础系统韧性的新设计细节

摘要

这篇文章探讨一个旨在开发钢桥桥墩基础系统的连接设计细节的研究课题。研究的目的是减轻钢柱和帽梁焊接处通用设计惯例的局限性。之前的研究表明，不管焊缝结构，直接将圆形钢管桩焊接在钢帽梁上，并不减轻处于非弹性循环位移水平的桥墩连接件的临界焊接区域脆性开裂的不良失效模式。

通过使用能力设计原则，为了将塑性铰从柱移至帽梁交界面以保护关键焊接区域的连接件，可供替代的设计一直在发展。为了达到这个目标以及被实验和分析理论两个原则所评估，三个连接件结构被开发出来了。这些连接件的表现，同那些不提供焊接区域保护能力明确定义的标准焊接连接相比，被称为改进型焊接保护连接。如果将伤害移至远离关键焊接区域的两个关键标准和增加这些区域的强度以保证在弯矩增加的时候仍然是弹性的被确定，那么钢桥墩系统的极限延展性能力就能被提高。更值得一提的是，这两个关键标准的成功实施意味着脆性焊缝开裂的不良失效模式可以避免，而且允许用更稳定的桩墙局部屈曲失效模型来控制系统的反馈。

研究目的

在地震事件中桥梁的上部结构的摇晃会引起作用在桥梁上部结构系统的横向荷载，随后这些力将被转移到基础系统上。这篇文章所讨论的研究是当桥的横向方向上受到横向荷载时，钢桥桥墩的打入桩会产生一个沿桩身渐变的双倍弯矩。标准的桥梁设计理论试图在受到地震作用时用弯曲关键点作为熔断丝来提高下部结构系统的柱(桩)单元。因此，空心钢桩和帽梁下表面的连接件就不仅仅需要提高桩的弯曲强度，但还是要实现相当大的非弹性转动来帮助韧性系统的反馈。

对于这些类型的连接件细节的实验现状，基于纸面上的研究，是在桩顶用角焊缝直接将二者焊在一起。早前北卡罗来纳州立大学的实验同已出版的研究报告都表明，脆性焊接裂缝的不良失效模型有可能是控制钢桩和帽梁连接件极限状态的因素，而且当用到角焊缝时系统能显示出延展性能力的最大值。北卡罗来纳州立大学早前的研究进一步表明，焊接区域的脆性裂缝也能成为控制像全熔焊接头等其他标准焊接结构的极限状态的因素。这些研究的目的旨在完善连接件结构来保护关键焊接区域。在本篇文章中，这些连接件类型被称为改进型焊接保护连接件。

研究理论

实验测试和有限元模型分析

大规模的准静态实验测试或者是动态振动台测试都被采用来进行这个研究。所有测试的数据都统计在北卡罗来纳州立大学的建造设施实验室里，在这里，实验室反应墙和反应楼板都用来给大规模测试桩添加横向荷载。测试桩由高速钢16times;0.500 ASTM（美国材料试验协会）A500 Gr.B无缝方管桩和A572 Gr.50双宽高性能帽梁组成。某些地方采用的是14times;117的高性能型材，某些地方时14times;89。一种直径壁厚比为32的管，是作为合理值被AKDOT运用在实际桥梁设计中的。用固定基础支座来模拟挠曲点，这样来开发打入桩系统的实际双弯矩梯度。对大规模实验测试中从固定支座到帽梁中心线的剪跨比为11英尺2英寸，这个数据被选作合理的纵横比。

在整个实验课题中，有限元法十分贴合实验理论，在商业应用软件Abaqus中，建立了多种不同模型来评估不同的连接件结构。在某些情况下，有限元模型能用来复制和进一步评估之前的实验结果，而在某些情况下，这些模型能用来模拟之前的连接件结构设置在实验测试中的表现。

加载程序

研究中的加载方案由单一反向周期控制力步骤确定，以第一屈服力的四分之一为增量增加到第一屈服力，且服从以位移延性增量的三个周期组。在这个方案中，位移延性，通过强制变形除以理想屈服位移来确定。理想屈服位移是由实验第一屈服位移乘以名义上的横向强度与第一屈服的横向力的比值，对于一个有合理D/t值的管桩系统来说这基本上就是一个定值1.3。位移延性的增加水平是按1、1.5、2、3、4、6等的一个顺序，直到失效。这种加载方案，被称为三循环加载历程，被同时用在这篇文章中的实验和分析评估。

标准焊接连接件的性能

实验评估

过去的实验工作由北卡罗来纳州立大学管理并总结在其他细节中。过去的工作主要是球形结构和杆件截面相似于当前研究课题中所考虑的四个大型桥墩试件的实验测试。在这4个测试当中，三个不同的焊接结构， 都被评估为标准焊接连接件种类。这种焊接结构包括角焊缝，全熔焊接头，以及打入桩外侧的包含角焊缝的全熔焊接头。之前的实验结果总结在表1，包含在各种情况下，由脆性裂缝控制或靠近连接处焊接点的系统的极限状态（比如，在高温影响区域内的焊趾或焊接金属）。虽然每个焊接结构都有助于提高桥墩的最大弯曲强度，但由于脆性断裂失效模式的存在，这些结构无法提供更可靠的变形能力来应对大型地震事件。

表1.之前实验结果的总结

作为对之前在北卡罗来纳州立大学关于这三种标准焊接连接件的测试工作的补充，一个附加的结构也进入当前研究范围考虑的标准种类中。正如图1所示，这种焊接结构由桩内外包含最大深度加强角焊缝的全熔焊接头组成。这种结构通过使用在连接件下方的12英寸的拼接焊来促进结构的内部加强角焊缝。出于实际中可能引发更高温度影响的考虑。拼接焊也会导致结构的负面影响，比如会增加存在潜在缺陷且降低经济性的焊接工作。然而，不管怎么说，这些结构任然有潜能来改善连接件区域的性能和通过修改焊接结构来实现提高连接件性能的最终意图。

实验测试结果与先前测试的非常接近。正如图1所示，桥墩的失效基本是由桥墩的焊趾的基础材料的单一最大裂缝的发展决定。这个裂缝和之前熟练的标准焊接连接件测试中的类似，而且会导致在刚度等级为3的单周期加载中的重要强度损失，这在其他标准焊接点细节中被证明存在。这种结构不能产生考虑的桩墙局部屈曲因此是不可靠和不充分的。

图1.左：连接件内外的包含加强角焊缝的全熔焊接头的细节

右：在实验测试中焊趾区域的脆性断裂

有限元模型检验

为了核实和更好的理解对含有标准焊接连接件的支墩的观察实验结果，用有限元分析来进一步分析这种类型的结构的性能。在图2中被认为是理想结构的有限元分析模型（桩距，桩长，加劲杆布置），用来同实验试件一样进行三周期加载历程。这个模型用独立网格定义来确定桩和帽梁之间的连通性。因此，实际焊接机构（角焊vs.全熔焊接头）并没有反应出适用任何标准焊接式样结果的分析。

图2.对标准焊接连接件性能的有限元法分析评估

分析的结果表明，在图2中实际系统的焊趾区中，拉应变集中现象越来越明显。这张图表明在大多数实验评估中焊接区域裂缝的发展过程中，加载水平为3的节点刚度性能。这个分析预测这些拉应变集中会出现在帽梁下端的下面，与应变大小有关系，大概是0.09且分布在拉力桩的拉力面的两个加载方向。虽然现在还没有具体原因来反对这个预测，但是对这区域的详细的集合研究也没有进行。基于这个原因，这个结果应该被认为是一个包含更多信息的潜在的解释来观察裂缝发展而不是作为一个断裂应变需求的结论。进一步的，这个结论表明相关的断裂行为是与固有的几何结构有关，而不是焊缝本身，并且缓解焊缝区域开裂对任何标准焊接连接件结构都不太可能。

改进型焊接保护连接件的性能

关键焊接区域的能力设计思想

正如讨论的那样，对于标准焊接连接件，不管是实验还是分析评估都表明在焊接点区域，脆性断裂失效模式的缓解都不仅仅是基于焊接结构而实现的。因此，改进型焊接保护连接件的观念有所改进。更特别的是，在考虑的多柱墩的能力设计思想的应用会导致弯曲关键点迁移的观点，这种观点下，桩的挠曲破坏将从桩的临界焊接区域下移。然而，作为与弯曲关键点相联系的完整超强弯矩能力，铰链的迁移增加了保护区所需要的弯矩，而且是从铰链区线性外推至保护区。

因此，为了有效保护钢管桩和帽梁连接处的关键焊接区域，两个关键条件必须得到满足。首先，正如前面提到的，桩的破坏位置必须被移到焊接区的下方，其次，考虑到所需弯矩的增加，焊接区域应该加强来保留足够的弹性范围。研究者们假设这两个关键条件可以允许更加另人满意的弯曲关键点失效模型，来保证在过去实验中，在弹性范围内加载，以桩墙局部屈曲的模式，控制有焊接连接件的系统的极限状态。这篇报告的剩余部分将讨论三个特殊的连接件结构的优化和评估以实现这些目标。

候选结构的发展优化

在这篇报告中，三个不同的改进型焊接保护连接件结构以实验和理论分析两个方法来优化和评估。其中一种连接件结构由在节点区朝着帽梁横向和纵向的角板组成。这些角板是用来建立帽梁的I型截面，来代替典型的拥有全熔焊接头焊接的双重高强度帽梁。同样的，这些角板也被用在HSS16times;0.500桩上，被火焰切割出槽以便扣板插入，通过纵向填角焊至桩轴。所有连接件元素都被设计来增加桩截面的满强度矩量，以提供连接件的保护能力和确保在系统受到横向荷载时桩截面的弯曲关键点的发展。该连接件细节在图3中可以看到，被称为截口连接件。

图3 切缝式连接件配置的细节

第二种结构由轧制钢材组装，该结构的底部用拼接焊与桩截面相接，顶部与帽梁下表面采用全熔焊接头由节点区域开始。组装是由两个纵向的间隔180度的焊缝组成，上部分截面较厚，这样可以保证在较薄的区域出现弯曲关键点时系统任然是弹性的。有两种结构的变更已经被评估了。第一个是基础结构，正如图4左侧所示，由匹配桩身材料厚度的较厚的上部截面和较薄的下部截面组成。第二个是这个结构的改进版本，如图5右侧所示，由较厚的上部截面组成，较低的部分匹配桩材料的厚度，然后特别的减小截面的厚度来形成一个类似狗骨头的几何结构形态。这两种方案中，截面厚度的改变都是在轧制和焊接后铣削截面得到的。

第三种改进的结构正如图5所示，由利用抗剪螺栓的合成连接件结构组成，位于桩截面的外侧，嵌入一个包含匹配型抗剪螺栓的更大的短粗桩。两者之间形成的环形区域填入流动的水泥基浆液（每平方英寸8千磅，在28天内保持可流动的一致性），在水泥固化后，通过混合作用将力通过短粗桩由桩移至帽梁以达到优化的目的。这个结构设计是，在焊接于帽梁下表面的短粗桩上连接件区域避免非弹性的基础上，用来优化桩截面的弯曲关键点的。

图4.左：标准桩柱结构配置细节 右：改进型桩柱结构配置细节

图5. 灌浆剪切螺栓连接件细节

改进型焊接保护结构的评估

关于截口连接件的大型静态试验测试表明样本有能力提高桩截面的弯曲能力，但同时整个装配体的刚性能力被限制。基于评估结果，由于基桩的槽口因滞后响应会导致一个相当有限的刚性能力，这个连接件可以先于基桩槽口下端的脆性开裂，实现1到1.5的可靠位移延性量，如图6所示。这个发现和有限元分析的结果保持一致，表明开槽连接件的基础上相当的应力集中可以按照预期来发展。虽然系统的所需刚度是包含地震灾害、系统结构、允许破坏等级的设计方案的基础，但是系统的所需刚性能力也可能不足甚至是较低等级的地震区域内的大多数应用。

实验测试和分析评估都展现了为了实现改进型焊接连接件的两个目标（破坏迁移和临界焊接区域的保护能力），标准型还是改进型的柱帽组装版本。因此，两种组装版本的位移刚性能力提升到可靠等级3。更重要的是，当避免像图7发生的任何脆性连接件区域断裂时，桩墙局部屈曲的理想极限状态是可以出现的。然而，也正如图中所示，在基本配置下，组装结构到桩的拼接焊下部局部屈曲会发展。虽然在实验测试中没有出现不良影响，但是目标区域外部屈曲发展的潜在破坏保护能够抵抗拼接焊裂缝。所以，改进后的配置在狗骨头区域出现屈曲时的表现更加令人满意。这两种情况下，基桩局部屈曲区域内裂缝的发展，将在多个加载周期中随着显著的强度退化。

对一个灌浆剪切螺栓连接件测试桩的初始大型试验评估表明，这个配置可能产生有利的表现。如图8所示，灌浆剪切螺栓连接件在帽梁水平保护焊的连接点的基础上能够改善弯曲关键点。最终测试桩的位移刚性水平达到6，即可靠能力达到3到4左右。随后的实验和分析工作表明连接件对最大可能的结构容许偏移量的反应是不敏感的，而且剪切螺栓与连接件的一边接触导致与另一边最大可能不紧密接触。此外，按比例的摇表测试表明连接件表现的更加充分，在一套地震记录的激发下，在连接件的基础上形成弯曲关键点。同时也进行分析仿真实验来评估轴向载荷大小的影响，D/t比，在系统刚性能力中容许的强度应力损失。对于这种连接件的进一步研究工作的细节在其他地方提供[3,4]。

图6. 左：在基础桩身材料内纵向角板基础上的脆性开裂。

右：截口连接件力与位移的关系曲线图

图7. 左：发生在标准柱连接件的拼接焊下面的屈曲。

右：发生在改进型桩柱连接件“狗骨头”区域的屈曲。

图8. 左：位移刚性等级6的灌浆剪切螺栓连接件测试桩。

右：灌浆剪切螺栓连接件力与位移的关系曲线图

结论与建议

基于这篇文章讨论的研究，标准焊接细节不太可能提供大塑性铰旋转，这对促进柔性反馈是十分必

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