1、空心高强度混凝土桥柱的抗震性能研究摘要:矩形空心桥柱的抗震性能与高速铁路项目的一个重要问题在台湾，因为这些柱的延性是未知的。在对空心高强度混凝土桥柱的抗震性能进行调查，在结果的基础上对 6 个标本在恒定轴向载荷和周期性扭转了水平荷载进行了测试。这些测试分析模型是为了开发预测瞬时曲率部分和荷载位移曲线和桥柱的关系。提出了式样的抗震性能，测试结果。比较分析模型和剪切能力在代码中指定。这是发现测试的延性的因素。分析模型预测的荷载位移关系，柱的准确性可以接受的范围是 3.9 到 4.7。关键词; 地震反应;高强度混凝土，塑性，失效模式;列; 桥梁;台湾。绪论：台湾高铁代表了台湾政府进一步完善交通系统和
2、进一步的经济发展的重大努力，计划路线长达345公里，其中包括高架桥和桥梁要扩展到207公里。因此许多桥柱将用于该项目。为了最大化结构效率的强度/质量和刚度/ 质量比率和减少柱的贡献质量在地震中反应，最好使用高强度中空柱。在考虑这些柱的延性和施工方法后该铁路项目中使用了横向配筋（图1）这和过去的研究是截然不同的（苏德等人在1983年的研究） 。图 1 在过去的三十年里,各种研究束缚影响了柱的的横向钢配筋和普通混凝土模型的分析（肯特和帕克 1971 年；帕克等人 1982 年；1978 年，1982 曼德等人的研究）和高强度混凝土已经被提出了。也不知道过去提出的约束空心混凝土的应力应变模型是否合适
3、，因此，此类空心混凝土需要更多的时间去细细研究学习。本文的实验结果六个空心高强度混凝土柱报告。混凝土抗压强度下降的范围从50到70 兆帕。测试标本的参数包括轴向荷载，横向钢筋，和高深比率。对于桥梁需要适当的韧性柱的设计，常见的实践使用延性设计方法是基于一个强大的梁和弱柱机制。柱的横向机制产生发生在地震袭击结束时，在这项研究中,一个特别测试设置用于测试柱的恒定轴向载荷、循环剪切和循环弯曲。柱的高深比率为3.6到3.0，设计研究他们在强力外力影响下的的弯曲。开发了一个用于分析预测模型柱的横截面的位移瞬时曲率的曲线图并且测试了模型剪切能力。 （ACI 1995;AASHTO 1991; Priest
4、ley et al. 1993; Xiao and Martirossyan1998; Aschheim et 两层 6mm5mm（试样 HS-1，HS-2）4mm40mm(试样HI-1-a,HI-2-a,HI-1-b,HI-0-b)al. 1992!） ，也与测试结果做了对比，这是发现分析模型预测的行为，这样的柱可接受的精度和延性因素对所有六柱的剪切能力的范围是从3.9到4.7。南加州大学的空心的高强度混凝土柱模型被发现是最好的预测实验结果。图2模型分析主要结构材料关系混凝土的应力-应变关系受约束混凝土（9个模型）的应力 应变模型和普通混凝（4个模型）土相比的优势被发现（肯特和帕克等人在19
5、71年的研究）和用于空心桥柱。将每个模型的实验结果与模型做对比。纵向钢筋的应力 应变关系 对钢筋加循环荷载时，在每个滞后循环钢材的应力 应变是一个抛物线的关系，这是曼德在1983年的研究成果。这种现象被称为“软化分支关系”如图2所示。用软化分支关系来描述钢筋，这个模型当时是曼德借的，另外，当钢筋受到交变荷载时，它的最大测试力小于最大强度单调拉伸值。这种现象被称为低循环疲劳， （1994年曼德等人研究结果）根据曼德等人在1994年执行的研究和莫里斯蒂德在1992的研究，相对应的应变是在最大应力条件下的3到5倍。而在拉力测试中获得极限应变和应力的70左右。如图3，说明了低循环疲劳曲线依赖应力应变初
6、始值软化分支模拟应力逆转屈曲,钢筋的屈服长度，因此， 横向钢筋之间的间距不应超过在桥柱纵筋直径的6倍。这个概念也被用于纵向钢筋的应力-应变关系分析模型。注意,最近的测试在 NIST 执行显示的什么有些测试标本展出的低循环疲劳失效而其他人没有。 图3曲率和力矩的关系假设部分弯曲后保持平面弯曲，机械性能，如时间 曲率的关系。空心柱的横截面可以确定当混凝土与钢筋的本构规律,和截面的平衡条件。荷载位移关系当获得所有截面的弯矩 曲率，柱的荷载位移关系可由应用力矩面积列的曲率图的方法获得，柱的荷载位移关系可分为上行和下行分支，提升部门可以划分为三个部门，裂纹状态,屈服状态,和最大状态。这个 算负载和相应的
7、位移已经被莫 1994 !。在本文中,基本上只介绍了计算下行分支。如图4的曲率可以表示为降序分支公式 w5wm2we1wr在公式里 ？= 曲率的降序分支 h=曲率对应于最大的时刻的力矩/毫米 k=弹性恢复曲率 r=重载曲率应变最大强度值拉伸试验F 应力低周疲劳图5说明了柱弹性恢复的曲率图，屈服曲率 y 和 my 产生的时刻，对应于第一个纵向钢筋的屈服，割线模量的弹性抗弯刚度，曲率和时刻，裂纹状态，目前最大的状态,列长度可分为三个 regions-L1、L2和塑性铰长度 Lp加设柱的重载曲率如图5b，注意, 重载曲率分布在塑性铰区域被认为是一个三阶多项式,可以决定用这四种边界条件是弯曲刚性重载如
8、图4所示。使用分析模型,曲率-力矩图横截面的塑性铰区域可以获得一柱。从这个曲率-力矩图,可以看出曲率分布在柱的可以获得各种加载一个柱的顶部。相应的计算整个柱的顶部位移和柱曲率图，柱的荷载位移关系可以建立。图4实验程序时间曲率六个空心钢筋混凝土柱进行了测试，在一个常数轴向力变化从0.054到0.132 fc 8 Ag)和一个周期性扭转了水平荷载，表1显示了样本的属性。图5 标本 每个标本的列和基础设计根据接受地震的规定 ACI 1995 图1说明了标本的截面的尺寸。注意,这个配置横向钢目前使用的在台湾桥梁设计。所有标本的横截面0.530.5米。所有标本的壁厚120 毫米。时刻怀抱水平装载点和之间
9、的距离钢筋混凝土基础的顶端!1.5米或1.8米样品名称的第一个字符,“ H”,代表高强度混凝土。第二个字符, “S”或“我”,指定标本有足够抗剪钢筋或不足抗剪钢筋分别与 ACI 相比代码 1995 !第三个角色,“0”,“1”, 或“2”表示不同的轴向载荷。如果标本中的最后一个字符的名称是“b”,这个标本是1.5米的力臂。那一刻臂的所有剩余的标本是1.8米的间距围钢筋在所有样本满足设计 ACI 规范重 装 曲 率最高点恢 复 弹 性 曲 率最高点的要求 1995 !建议和需求普里斯特利 et al . 1996 !,间距需要不到纵向钢筋直径的6倍。对标本 HS-1 HS-2,所提供的抗剪钢筋更
10、比 ACI 所需的代码 1995 !为了避免剪切失败。剩余的标本所提供的抗剪钢筋范围在50 - 66%之间 ACI 所需的代码 1995 !同样, 标本 HS-1和 HS-2提供的的钢筋是所需的多 ACI 规范 1995 !对于剩余的标本提供的封闭钢筋是 ACI所需的48%的代码。测试设置和加载序列标本是垂直与钢筋混凝土基础,和结束的列了一个液压千斤顶提供一个恒定的轴向载荷。据液压千斤顶,柱举行的致动器是水平安装的吗反应墙。的执行机构有能力500 kN,的推拉柱150毫米方向对应于一个列漂移比率水平位移列长度!8.3%的标本 HS-1和 HS-2。每个标本检测负载细胞,位移传感器和应变仪监控应
11、用位移和相应的负载以及由此产生的压力和相对变形。位移控制下的标本进行了测试预定的位移历史定义的列漂移的百分比。位移的例程的标本, 图6所示, 由周期与列的积雪到 6.0%。位移周期重复测量强度折减。图6实验结果一般的观察所有标本开发稳定的反应一定的位移延性水平。弯曲裂纹垂直于每一柱的发达地区第一轴接近底部的结束。弯曲裂缝成为倾斜和扩展网络区域的列的影响剪切通常超过第一阶段产生的纵向钢筋。在加载后期,通常在位移延性2和3的水平, 独立的剪切裂缝开始出现。塑料位 移（mm）偏移（%）铰链全形成底部的柱，这导致了延性的发展。虽然所有标本展出估计的挠曲强度,他们的最终性能和延性水平是实现不同，如表2所
12、示,后来在图8中, 最终的失效模式为所有六柱发达的下面三个场景。弯曲破坏根据 ACI1995标准要求求、标本 HS-1和 HS-2有足够的抗剪钢筋,而剩下的有足够的抗剪钢筋标本。因此,标本 HS-1和 HS-2发达位移延性的因素分别为4.6和4.3。这两个的最终性能标本被负载容量由于主导拉伸破裂纵向钢筋底部的结束。尽管的剪切和封闭增援标本 HI-1-a ACI 约一半的需要代码,试样的失效模式是弯曲的轴向力低0.077 f c8Ag,如图7 所示 !。弯曲和剪切失败虽然标本 HI-0-b 小力矩臂为1.5 米，受到的轴向力较低0.054 f c8Ag,其剪切和围增援只有50 48%的金额 19
13、95年! ACI 所需的代码。样品开发了一种位移延性系数为4.7。最终的性能样品最早由承载力由于拉伸的断裂纵向钢筋底部的结束。随后,发生剪切破坏, 如图7所示 b !。的失败模式标本 HI-2-a 弯曲和剪切。剪切破坏标本 HI-1-b 剪切不足和封闭增援受到更高的0.106 f c8Ag 和轴向力，低力矩臂1.5;因此发生剪切破坏。尽管一些纵向钢筋扣在加载阶段接近破坏,没有拉伸纵向钢筋发生破裂, 如图7c 所示。延性系数和耗散能量位移延性系数被定义为发生在80%的最大横向力下降的部分除以的水平荷载位移关系在发生纵向钢筋屈服位移。耗散的能量是由整合有限的地区的滞后循环。图8显示了滞后的循环标本
14、 HS-1和 HI-2-a 弯曲和 flexure-shear 失败, 分别。表2也给出了实验结果所有标本的延性系数和耗散能量。它可以从表2,延性的因素标本从3.9到4.7。轴向力的影响图7主曲线的所有六个标本图9所示。当标本 HS-1与标本 HS-2相比, 它可以从图9和表2发现更大的轴向力产生更大的最大负载和延性系数较低。相似的结论可以当标本 HI-1-a 相比吗标本 HI-2-a 或者当标本 HI-0-b 相比标本 HI-1-b。横向钢量的影响弯 曲 破 坏弯剪破坏剪切破坏钢筋弯曲钢筋破坏箍 筋 松 驰当标本 HS-2与标本 HI-2-a 相比,它可以从图9和表2被发现 ,更大的横向钢铁
15、生产更大的最大负载和延性的因素。比较测试数据与分析结果图10显示 moment-curvature 的比较关系标本 HI-1-b 的测试和分析模型。它可以看到从 10的预测与普通混凝土Fig 模型。10 !#和高强度混凝土Fig。10 b !#和接近测试是相似的结果。剩余的标本之间的偏差测试和所有13个分析模型也小。使用所有 13分析模型,所有6个标本进行了分析。分析标本 HI-1-b 荷载位移关系的结果与测试数据,如图11 所示。意低循环疲劳的纵向钢筋被认为是分析模型。它可以从无花果。10和11 分析模型可以预测精度合理的测试结果。类似的结果获得了剩余的标本。峰力、极限位移和延性的6个标本也
16、比预计13分析模型在表3。从表3可以看出,在一般情况下,修改后的肯特和帕克模型 帕克等人；1982曼德等人模型等，所有这些模给出更好的结果。图8标本 HS-1P/f cAg=0.092混凝土开裂纵向钢筋的屈服混凝土粉碎混凝土剥落纵向钢筋断裂位 移 （mm）负荷（KN）标本 HS-2-aP/f cAg=0.132负荷（KN）位 移 （mm）混凝土开裂纵向钢筋屈服混凝土粉碎混凝土剥落图9抗剪能力提出的模型他在非弹性剪切强度的钢筋混凝土成员加载的影响参数:应用剪切应力水平, 水平的延性,水平轴向压缩力、剪切 span-to-depth 比、横向钢筋比, 纵向钢的比例。总共5个模型为名义被发现抗剪强度
17、,素食新闻文学 ;即 ACI /AASHTO 模型 ACI 1995;AASHTO 1991 !UCSD 模型普里斯特利 et al . 1993 !、南加州大学模型肖和 Martirossyan 1998 !他们的总结如下。Vc、Vs 和 Va5concrete,横向钢筋 ,和轴向负荷的贡献分别列的名义剪切力量 ;k5degradations 因素;fc 8 5混凝土抗压球的力量;f yh5yield 压力;Ae580% 截面一列;hc5distance 从呼啦圈的中心横截面的中心;s5spacing 剪力钢筋;u5angle 剪切裂缝和列之间的中心线;横截面的 D5depth;X5dept
18、h 压缩块;P5axial 力量 ;M5bending 时刻。退化因素,标本 HS1标本 HS2标本 HI-1-a标本 HI-2-a标本 HI-1-b负荷（KN）位 移 （mm）k,如下:图8。滞后环的标本 HS-1 HI-2-a 图9。主曲线的所有六个标本。图10曲率（1M）时间（KN-M）时间（KN-M）曲率（1M）图11位 移 （mm）位 移 （mm）负荷（KN）负荷（KN）实验结果的比较提出的模型理论为本研究的标本抗剪强度值估计基于 ACI / AASHTO 方程和 UCSD,南加州大学, 联合和抗剪强度模型。实验应用剪切标本 HS-1信封和 HS-2分别设计 flexural-dom
19、inated 失败, 比较与抗剪强度预测的基础上吗 ACI / AASHTO UCSD,南加州大学的联合和劳教犯模型。这是发现 ,远低于剪切实验曲线所有五个模型的预测能力。原因是标本失败在弯曲和剪切能力没有达到。推动方向为其余四个标本,与设计抗剪钢筋不足以及抗剪强度预测基于这5个模型。它可以无12 模拟!最大剪切力接近剪切的能力由 ACI / AASHTO 代码 1995/1991 !,然而, 在这一点上剪切破坏并没有发生。后峰值剪切力,实验剪切力下降和增加位移延性。在剪切破坏的极限状态剪切力预测的南加州大学几乎是相同的模型肖和 Martirossyan 1998 !。受剪承载力预测从剩下的四
20、个模型是更大的比测试。南加州大学的原因是模型是基于测试高强度混凝土柱,剩下的四人针对普通混凝土开发的模型。结论根据研究提出了以下结论1。ACI 的空心桥列满足测试代码可接受的抗震性能, 因为延性因素的标本在4.3 至4.6的范围。2。当桥墩 ACI 满意的代码时, 他们的失败模式是纵向钢筋的弯曲由于破裂。3。标本以更大的轴向力延性较低。4。当横向钢约一半的数量 ACI 所需的代码, 可能会失败模式剪切。5。考虑到关系和软化的分支低循环疲劳,例句曲率分析模型预测关系和荷载位移关系所有标本可接受的精度。6。实验剪切能力有很好的一致性与南加州大学模型肖和马蒂尔德在1998南加州大学模型可以用来防止的
21、剪切破坏空洞的高强混凝土柱。致谢美国国家科学委员会,台湾交通运输部门。文章中出现的符号:Ae 5柱的横截面面积的80%;；Ag)5总截面面积;Av 5抗剪钢筋面积;bw 5 web 宽度;D 5截面深度;d 5有效深度 ;db 5钢筋直径;fc 8 5无侧限混凝土的抗压强度油缸 ;5 f yh 横向钢的屈服强度;hc 5距离中心线箍的中心截面;k 5抗剪强度退化系数;5 米/ VD 剪切 span-to-depth 比率;P 5轴向载荷;年代5 圈之间的垂直距离 ;弗吉尼亚州5轴向载荷对剪切强度的贡献;风投5混凝土抗剪强度的贡献;素混凝土 5名义抗剪强度; 对5 横向剪切钢贡献力量;x 5块的压缩深度;dd 5位移按照分支;德5位移由于弹性恢复;dm 5位移对应于最大负载;博士5位移由于重载;你5角之间的剪切裂缝和列中心线。5米位移延性;r 5纵向钢筋比;r9机型5横向钢筋体积比墩核心体积;货代5曲率在裂纹状态;和 5曲率在屈服状态。引用1991在美国华盛顿特区规定的: 公路桥梁标准规范 AASHTO。ACI 1995 !“钢筋建筑规范要求；“美国,密歇根州底特律混凝土协会研究所 规范要求。, 加州运输部、新西兰国家地震工程学会,科特和帕克等人对 地震损伤累积循环桥墩的研究成果。
