节段拼装预应力混凝土桥梁结构体系抗震性能研究

预制节段拼装混凝土施工技术相对传统的现浇施工技术具有明显的优越性，采用节段拼装施工建造的桥梁的抗震性能信息缺乏阻碍了其在我国高地震危险区域桥梁建造中的应用，为此，本项目开展了节段拼装预应力混凝土桥梁结构体系的抗震性能研究。主要研究内容有：1）针对我国节段拼装预应力混凝土连续梁桥和连续钢构桥主梁的构造特点，开展节段主梁大比例尺模型的拟静力试验，研究主梁延性变形、耗能能力、及拼装接缝的滞回特性、裂缝逐步开展情况和主梁最终破坏机理；同时开展了新型构造措施下预制立柱的抗震性能试验研究；2）研究能正确描述预制节段拼装桥梁主要抗震力学行为的理论数值分析模型和计算方法，并与试验结果进行校核；3）以典型的节段拼装预应力混凝土桥梁结构实例为背景，建立数值分析模型，研究节段拼装预应力混凝土桥梁体系的抗震性能。主要成果有：1）节段拼装预应力混凝土主梁的拟静力试验表明，在体内和体外预应力筋合理布置下，其具有较好的延性变形能力，但耗能能力较弱，拼接缝的张开、闭合对节段梁的力学行为有影响，接缝的相对滑动仅在节段梁接近完全破坏时有一定的影响；新型连接构造的预制拼装桥墩具有良好的抗震性能，可以满足预期使用要求；2）通过建立的数值有限元模型对试验试件的分析比较，表明分析模型可以较好的模拟主要力学行为，但节段主梁三维实体分析有限元模型在反复荷载作用下，尚不能完全考虑各种非线性因素，收敛不容易保证；3）对四跨节段拼装预应力混凝土连续梁桥开展抗震性能的初步分析研究表明，采用有、无粘结预应力筋预制拼装桥墩的耗能主要通过接缝处混凝土的压碎以及有粘结预应力筋的塑性变形来耗能，耗能能力小于普通混凝土桥墩，但节段拼装桥墩震后残余位移较小；随着加速度峰值的增大，节段拼装主梁接缝的最大张开宽度明显增大；但是震后的接缝残余张开宽度很小，表明无粘结预应力筋的自复位能力可以保证主梁震后使用性能。通过本项目的试验和数值分析研究，初步掌握了节段拼装预应力混凝土梁桥结构体系的抗震性能及影响因素，为预制节段拼装混凝土桥在我国高地震危险地区的应用提供了可靠的分析方法和连接构造等资料。 2100433B

我国高速公路网和城市化进程的加速，促进了节段拼装施工技术在跨海峡长大桥梁和城市高架桥建设中的应用。但随着节段拼装施工技术在高地震危险区域的应用，面临的一个重要技术问题就是采用这种技术施工的预应力混凝土桥梁结构体系的抗震性能如何？这也成为困扰桥梁设计工程师和业主的技术难题。为解决此技术难题，拟开展的主要研究内容如下：①通过大比例尺拟静力试验研究不同构造方式下节段拼装预应力混凝土主梁及其接缝的滞回特性、延性变形、耗能特性等；②研究节段拼装预应力混凝土主梁的接缝开展情况以及主梁的潜在破坏模式；③建立节段拼装预应力混凝土桥梁结构体系地震作用下的结构损伤累积、乃至倒塌的理论分析模型和计算方法；④研究节段拼装预应力混凝土桥梁结构体系的抗震性能、易损部位和破坏倒塌机理；⑤分别从构件、结构层次研究对节段拼装预应力混凝土桥梁体系在地震作用下累积损伤行为进行有效控制的各种方法和措施。

本项目基于海底盾构隧道特点，结合理论分析、数值模拟、室内试验以及振动台模型试验等手段，开展海底盾构隧道全寿命抗震性能研究。通过反应位移法建立海底盾构隧道单/双层衬砌横向分析模型，对比分析单、双层衬砌在不同水平地震作用下隧道内力的分布情况和变形规律,计算表明管片变形、弯矩、轴力呈反对称分布在结构两侧，相同地震动水平时双层衬砌地震附加总内力值高于单层衬砌；建立复合式/叠合式双层衬砌三维实体数值模型，开展地震作用下管片结构与二次衬砌内力及位移的分布特征分析，相同工况下，复合式衬砌管片的轴力、弯矩和二衬的弯矩均大于叠合式衬砌，复合式二衬的轴力小于叠合式二衬轴力；根据相似理论开展单、双层衬砌模型地震响应振动台试验，研究地震作用下单、双层衬砌盾构隧道跨越软硬突变地层的纵向动力响应特征，结果显示：软硬突变地层加速度响应频谱表现出与均匀地层显著不同的“双峰值”现象，管片纵向应变峰值包络线出现明显的“三峰值”，结构应变受地层影响的区域分布于地层交界面两侧2.5-3.5倍隧道直径范围；建立海底盾构隧道不同服役龄期地震响应分析模型，导入不同荷载水平下，随着氯离子侵蚀时间增长隧道结构劣化的本构模型，采用动力时程法分析隧道结构劣化抗震性能，以隧道直径变形率作为圆形盾构隧道的性能量化指标，提出了适用于圆形盾构隧道各性能水平的量化指标；开展隔震材料室内试验，沥青系隔震层能够有效降低衬砌拉、压应力及变形量，隔震层厚度分别为5cm、15cm及30cm时，对应减震率为46.3%、50.4%和58.2%；采用数值模拟及振动台试验，对海底盾构隧道交叉结构地震动力响应特性进行研究，采用刚性连接时，主隧道纵向受影响范围约为3倍横通道宽度，柔性连接可降低结构各处的应变和内力，降低影响范围至1.5-2倍。研究成果可为海底盾构隧道的设计和施工提供重要参考，为今后大量海底盾构隧道全寿命周期的健康服役提供理论和技术支撑。 2100433B