高强钢筋高强混凝土桥墩等效塑性铰区长度分析.pdf
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1、2 0 1 1年 第 9期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu m b e r 9 i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL I t ES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 1 5 高强钢筋高强混凝土桥墩等效塑性铰区长度分析 梁永朵 1 l2 ,孙治国。 ,王东升 。 ,司炳君 ,姜金征 ( 1 中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ;2 辽宁省地震局,辽宁 沈阳 l
2、 1 0 0 3 4 ; 3 大连海事大学 道路与桥梁工程研究所, 辽宁 大连 l 1 6 0 2 6 ;4 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ; 5 辽宁省铁岭地震台,辽宁 铁岭 l 1 2 0 0 1 ) 摘 要: 钢筋与混凝土材料的高强化是工程结构发展的重要方向, 为研究配置高强钢筋的高强混凝土桥墩等效塑性铰区长度, 整理了3 7 根 高强钢筋高强混凝土桥墩试验数据, 与 P r i e s t l e y 、 P a u l a y 、 T e l e m a c h o s 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
3、了对比分析, 并通过灰色关联方法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。 研究表明: 与试验结果相比, 各公 式计算值离散性较大, P a u l a y 公式、 T e l e ma c h o s 公式偏于不安全, P r i e s t l e y 公式和我国J T G T B0 2 0 l 2 o 0 8 公路桥梁抗震设计细则 建议 公式偏于保守; 在高强钢筋高强混凝土桥墩等效塑性铰长度的各影响因素中, 纵筋直径影响最大, 其次是试件高度和截面宽度, 试件轴压 比和力学含箍率影响最小, 高强钢筋高强混凝土桥墩等效塑性铰区长度的主要影响因素基本符合 目 前的认识水平。
4、 关键词: 高强钢筋;高强混凝土; 桥墩 ;等效塑性铰区长度;灰关联分析 中图分类号 : T U5 2 8 5 7 1 文献标志码 : A 文章编 号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 4 9 0 4 Ana l y si s of e qui va l en t p l a s t i c hi ng e l eng t h of hi gh s t r eng t h c on c r e t e br idg e c ol umns r ei nf or c ed w i t h hi gh s t r en gt h r eb ar s L I
5、 A NG Y o n g - d u o 。 S U NZ fi i - g n o , WA NGDo n g - s h e n g , S I Bin g -j 13 1 1 4 , J ANGJ i n - z h e n g ( 1 I n s t i t u t e o f E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s , C h i n a E a r t h q u a k e A d mi n i s t r a t i o n , Ha r b i n 1 5 0 0 8 0 , C h i n a ; 2 E a r t h q u ake
6、 A dm i n i s t r a t i o n o f L i ann i n g S h e ny a n g1 1 0 0 3 4, Ch i n a;3 I ns t i t ut eo fRo a d a n dBrid g eEn g i n e e rin g, Da l i an Ma rit i meUni v e r s i t y, Da l i an 1 1 6 0 2 6, Ch i n a; 4 S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f C o a s t a 1 andO ffs h o r e E n g i n e e r
7、i n g , Da l i a nUn i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y , D a l i an l 1 6 0 2 4 , C h i n a ; 5 L i a o n i n g T i e l i n g S e i s mi c S t a t i o n, T i e l in g 1 1 2 0 0 1 , Ch i n a ) Ab s t r a c t : H i 曲 s t r e n g t h ma t e ri a l o f r e i n f o r c e me n t and c o n c r e t e i
8、 s t h e i mp o r t a n t o ri e n t a t i o n o f e n g in e e ri n g c o n s t r u c t i o n d e v e l o p me n t I n o r d e r t o s tud yt h e e q u i v a l e n t p l a s t i c h i n g el e n g t h o f h i g h - s t r e n gth r e i n f o r c e d c o n c r e t e b rid g e c o l u mn s , 3 7t e s
9、t r e s u l t s we r e c o l l e c t e d , and c o n t r a s t i v eana l y s i s o n t h e f o r mu l a e wh i c h p r o p os e d b y p r i e s t l e y, pa u l a y, t e l e ma c h o s and J TG T B 0 2 0l 一 2 0 O 8 we r e d o n e I n flu e n c e f a c t o r s wh i c h a ffe c t t h e e q u i v a l e
10、 n t p l a s t i c h i n g e l e n gth o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e b r i d g e c o l u mn s r e i n f o r c e d wi t h h i g h s t r e n gth r e b a r t h r o u g h g r e y - c o r r e l a t i o n a n a l y s i s me t ho d we r e a n a l y z e d I t i s f o u n d t h a t , c o mp a r e
11、 t o t e s t r e s u l t s , a l l the p r o po s e d f o rm u l a e s h o w c o n s i d e r a bl e s c a tt e r i n e s t i ma t i n g t h e pl a s t i c hi n g e o ft he c o l u mn s Th e e x p r e s s i o n s p r o po s e d b y P an l a y Te l e ma c ho s are n o t s a f e Wh i l e P r i e s t l
12、e y p r o p o s e d f o rm u l a an d J TG TB O 2 _ 01 2 0 0 8 g i v e c o n s e r v a t i v e r e s u l t Amo n g t h e i n flu e n c e f a c t o r s , the d i a me t e r o fl o n g i tud i n a l s t e e l i s t he mo s t i mp o r t an t , s e c o n d l y i s t h e s pe c i me n l e n g t h and s e
13、 e - t i o n wi d thAnd a xi a l l o a d r a t i o an d me c h a n i c a l tra n s v e r s e s t e e l r a t i o of the s pe c i me n s s h o w s ma l l infl u e n c e Ma i n i n flu e n c e f a c t o rs o ft h e e q ui v a l e n t p l a s t i c h i n g e l e n gth o f h i g h s tr e n gth r e i n f
14、 o r c e d c o n c r e t e b r i d g e c o l u n ms mo s t l y a c c o r d wi t h a c tua l l e v e 1 K e y wor d s : h i g h s t r e n gth r e b ar; h i g h s tr e n g t h c o n c r e t e ; b r i d g e c o l u mn s ; e q u i v a l e n t p l a s t i c h i n g e l e n g t h; gre y - c o r r e l a t i
15、 o n ana l y s i s 0 引言 等效塑性铰区长度是联系钢筋混凝土桥墩塑性铰区截面 曲率与墩顶侧向位移之间的纽带 , 是桥梁抗震工程中的重要概 念【1 】 。 由于桥墩的侧向变形能力是实现桥梁基于位移抗震设计 思想的关键 , 因此, 准确估计桥墩的等效塑性铰区长度对保证 桥梁结构抗震安全至关重要2 1 。 桥墩等效塑性铰区长度的系统 性研究工作是 由P r i e s t l e y与 P a r k 3 1 领导完成的 , 通过对不同截 面形式的桥墩构件试验结果的回归分析, 他们建议了与桥墩高 度和纵筋直径相关 的等效塑性铰区长度计算公式; 其后 , 我国 沈聚敏教授等4 -
16、6 1 , B a e 等川、 以及加拿大多伦多大学 也各 自进 行了大量的桥墩或框架柱等效塑性铰区长度试验研究 , 并借助 收稿 日期 :2 0 1 1 - -0 3 1 5 基金项目:国家 自 然科学基金项目( 5 0 9 7 8 0 4 2 ) 试验结果对影响桥墩等效塑性铰区长度的若干因素进行 了广 泛分析与讨论。P a u l a y等【 l2 1 , T e l e ma c h o s 等f , 以及我国新颁布 的 J T G T B 0 2 0 1 2 0 0 8 公路桥梁抗震设计细 tl t 均提出了 不同的桥墩等效塑性铰区长度计算公式, 以指导桥梁工程的抗 震设计 。 配置高
17、强钢筋的高强混凝土结构是我国工程结构发展的 重要方向1 5 q , 注意到 目前的桥墩等效塑性铰长度计算公式都 是由普通强度桥墩试件的试验结果分析得出, 未涉及高强钢筋 高强混凝土桥墩的计算问题。 高强纵筋、 高强箍筋、 高强混凝土 的使用均可能对桥墩等效塑性铰区长度产生明显影响并导致 桥梁抗震设计的困难。 本文在分析整理高强钢筋高强混凝土桥 墩等效塑性铰区长度试验结果的基础上, 分析了各公式在计算 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高强钢筋高强混凝土桥墩等效塑性铰区长度的适用性 ; 并通过 灰关联分析方法 , 明确了各影响因素对其等效塑性铰区长度的 影响
18、程度。 1 桥墩等效塑性铰 区长度试验结果分析 1 1 等效塑性铰模型介绍 P r i e s t l e y和 P a r k E3 提出了“ 等效塑性铰区长度” 的概念 , 将 图 1 ( a ) 中墩柱实际的曲率分布模式简化为图 1 ( b ) 所示的沿墩柱 高度 线性分布的屈服曲率 和“ 等效塑性铰区” , J 。 内均匀分布 的塑性曲率 , 并假定墩柱塑性转动集中于等效塑性铰区内, 则 其总侧向变形 由屈服位移 和塑性位移 。 组成, 可表达为: _ ( ) ( 1 ) 根据图 1 ( b ) 的曲率分布, 不难推导出: A t - ( 2 ) j 将式( 1 ) 等号两端同时除以
19、, 可得: 1 + 3 ( 一 1 ) ( 1 - 0 5 l ( 3 ) 式中, 墩柱位移延性系数, 且 - 3 ; 墩柱塑性铰区截面曲率延性系数, 慨 ; 塑性铰区截面曲率。 等效塑性铰区长度 L 。 建立了桥墩塑性铰区截面曲率与墩 顶侧向位移之间的桥梁, 由于 目前通过理论发展桥墩的等效塑 性铰区长度非常困难, L 。 值的确定更多的是通过拟静力试验手 段进行。 在桥墩拟静力试验过程中, 通过测量墩底塑性铰区的截 面曲率 和墩顶的侧向位移 , 可方便的计算出试件的等效塑 性铰区长度 。 , 借助于对试验结果的统计分析成为等效塑性铰 区长度模型发展的重要手段。 而在进行实际桥墩的弹塑性分析
20、 或抗震设计时, 通过对墩柱截面的弯矩一 曲率分析计算出截面的 曲率值或曲率延性系数, 则可由式( 1 ) ( 3 ) 方便的计算墩顶侧 向变形或位移延性系数 。 一 A y Ap 一 ( a ) 实际曲率分布 ( b ) 简化曲率分布 ( c ) 墩顶位移组成 图 1 P r ie s t le y和 P a r k提出的等效塑性铰区长度模 型 P r i e s t l e y和P a r k t3 提出的 长度计算公式为: L p = O 0 8 L + 6 d , ( 4 ) 式中: d 。 纵筋直径; 墩柱高度。 P a u l a y 和 P r i e s t l e 3 提出的
21、 长度计算公式为: L p = O 0 8 L + 0 0 2 2 d ( 5 J 式中: 纵筋屈服强度。 T e l e ma c h o s 等1 3 建 议反复荷载下钢筋混凝土构件 长度 的计算公式: L p - - O 1 2 L + 0 0 1 4 d f ( 6 ) 5 0 我国J T G T B 0 2 0 1 2 0 0 8 公路桥梁抗震设计细则 规 定的L 。 长度取以下两式计算结果较小值: , J 0 0 8 L + 0 0 2 2 d 0 0 4 4 d o Cy ( 7 ) L F6 ( 8 ) j 式中: b 矩形截面桥墩的短边尺寸或圆形截面桥墩直径。 1 2 试验
22、结果 整理 与 比较 选取加拿大多伦多大学 l】完成的3 7个高强钢筋高强混凝土 桥墩( 柱) 等效塑性铰区长度试验数据进行分析。 选取的 3 7个 试验数据 中, 试件纵筋屈服强度在 4 0 0 5 2 1 MP a之间, 平均 值为 4 8 1 MP a ; 箍筋屈服强度在在 4 2 7 8 5 0 MP a 之间, 平均值 为 5 2 9 MP a ; 混凝土抗压强度范围为 3 1 3 1 2 0 I V I P a , 平均值为 6 7 MP a ; 可以看 出, 选取试件均为典型的高强钢筋高强混凝 土桥墩。 将试验得到的 3 7 个高强钢筋高强混凝土桥墩的等效塑性 铰长度分别与 P
23、r i e s t l e y公式 、 P a u l a y公式、 T e l e ma c h o s 公式及 我国J T G T B o 2 O 1 2 o 0 8 公路桥梁抗震设计细则 建议公式 分别进行对比分析, 如图 2 所示。 从图中可看出, 按 P a u l a y公式、 T e l e m a c h o s 公式计算的结果绝大多数大于试验值结果 , 由于等 效塑性铰模型的主要作用在于合理估计桥墩的实际变形能力, 如果按这些公式的计算值作为设计依据, 将高估桥墩的变形能 力 , 偏于不安全。 P r i e s t l e y公式和我国 J T G T B O 2 叭一2
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