配置高强钢筋约束高强混凝土桥墩地震损伤性能研究

国家自然科学基金课题“配置高强钢筋约束高强混凝土桥墩地震损伤性能研究”，基于试验研究和理论分析手段，开展了高强箍筋约束高强混凝土墩柱结构的地震损伤性能和设计理论的研究。课题在高强箍筋约束高强混凝土墩柱的抗震设计理论、钢筋混凝土结构抗震非线性数值分析模型等方面取得了一系列的研究成果，对推动高强钢筋及高强混凝土材料在土木工程中的广泛应用、保证交通生命线工程的抗震安全起到了积极的作用。课题取得成果简要概括为： 1. 对国内外完成的高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震拟静力试验结果进行了广泛总结，找出研究的不足并为课题开展提供依据。在材料层次上完成了高强钢筋的低周疲劳性能试验和高强箍筋约束高强混凝土柱的轴压试验，对高强钢筋和高强混凝土的本构模型进行了对比分析并得出了相关结论。 2. 完成了6根配置高强箍筋高强混凝土柱和3个普通强度混凝土柱抗震拟静力试验；16个剪切-粘结破坏试件的拟静力试验和6个弯剪破坏钢筋混凝土柱的抗震拟静力试验并进行了震后快速修复。以上研究为认识高强箍筋高强混凝土墩柱构件的抗震能力及发展相关数值分析模型提供了依据。 3. 统计了国内外完成的高强箍筋高强钢筋混凝土柱拟静力试验数据。分析了影响高强箍筋高强混凝土柱延性抗震能力的主要因素并通过回归分析建议了高强箍筋高强混凝土柱塑性铰区约束箍筋用量计算公式。整理了37根高强钢筋高强混凝土桥墩试验数据，与Priestley、Paulay、Telemachos及我国《公路桥梁抗震设计细则》建议的塑性铰区长度计算公式进行了对比分析，并分析了影响高强钢筋高强混凝土桥墩等效塑性铰区长度的主要因素。 4. 分别基于纤维单元模型和集中塑性铰模型，通过数值分析和试验数据对比研究了利用各模型对桥墩地震损伤指标进行估计的准确程度及主要影响因素。发现两种模型计算桥墩滞回曲线和残余位移与试验均较为接近，但对钢筋和混凝土应变的计算精度仍有待提高。 5. 在课题资助下，共发表论文22篇，包括18篇期刊论文和4篇国际会议论文，SCI检索1篇，EI检索13篇。培养毕业博士研究生1名，硕士研究生6名。 2100433B

随着我国高强混凝土和高强钢筋材料的快速发展，设计以HRB500级及HRB400级高强钢筋为纵筋、箍筋的约束高强混凝土桥墩（柱）将是今后必然选择。本项目拟从材料、构件两个层次，同时更多地选择试验手段，先期开展其抗震延性及损伤性能研究。基于材料试验给出高强钢筋大应变下低周疲劳损伤参数、高强钢筋和高强钢筋约束高强混凝土单调及反复荷载下本构模型；通过拟静力试验研究高强钢筋约束高强混凝土桥墩延性抗震性能及主要影响因素；利用外部装置详细量测塑性铰区变形、钢筋和混凝土应变等细部反应参量，定量揭示其地震损伤状况；基于实测研究桥墩简化集中塑性铰模型和精细纤维单元模型在计算不同地震损伤指标时的误差，给出基于性能抗震设计方法；最后采用拟动力试验比较高强钢筋约束高强混凝土桥墩和现有普通混凝土桥墩在不同地震水准下的损伤性能，并验证课题相关研究成果。课题对推动高强钢筋及高强混凝土桥墩（柱）的广泛应用将起到很好作用。

本项目研究芳纶复合材料约束高强钢筋混凝土柱的变形和强度性能。重点研究芳纶复合材料约束高强钢筋混凝土柱在静力轴压荷载及水平重复荷载作用下的变形性能，分析体积配筋率（复合材料层数）、复合材料的约束方式、约束截面的形状（圆形、方形）、混凝土强度对芳纶复合材料约束高强混凝土、高强钢筋混凝土柱的强度和变形性能影响。在此基础上，采用国外学者最新建立的塑性约束混凝土理论分析芳纶复合材料约束高强钢筋混凝土，建立芳纶复合材料约束高强混凝土、高强钢筋混凝土柱的强度与变形的计算及设计方法。.芳纶复合材料作为新型的复合材料具有超高强、超高模量、抗冲击、耐高温、耐腐蚀和比重轻等特性，用其约束高强钢筋混凝土将有效解决高强混凝土的脆性问题，形成的芳纶约束高强钢筋混凝土具有更为优异的性能，有着广泛的应用前景。国内外对芳纶约束混凝土的研究尚处开始阶段，此项目的研究具有很大的创新性。 2100433B

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

钢管高强混凝土结构技术是解决钢筋混凝土高层建筑胖柱问题和增大桥梁结构跨越能力的经济而有效的措施，在高层建筑与大跨桥梁工程中得到了卓有成效的应用。但采用高强混凝土会使钢管混凝土柱的脆性增大，而高强薄壁钢管的应用会导致钢管局部稳定问题变得突出。基于上述工程背景，本项目重点研究CFRP约束钢管高强混凝土柱的力学性能和工作机理。本项目拟发挥硅压阻式压力计的优势，提出基于核心混凝土轴向应力与约束应力的测试新方法，建立核心混凝土被动约束模型，揭示钢管约束延迟核心混凝土出现剪切滑移破坏的机理。通过轴心受压试验揭示CFRP约束钢管高强混凝土的约束机理，建立CFRP约束参数与套箍率的数学关系，确定破坏模态转化的临界值。进行压弯试验，揭示CFRP对钢管高强混凝土压弯构件的约束机理，获得CFRP约束对提高承载力和延性的规律。提出基于性能的CFRP约束钢管高强混凝土的分析与设计方法用于指导工程实践。