预应力混凝土框架模型的循环载荷试验建筑类学士学位论文.doc

XXXXXXX学院

毕业设计

题 目 电参数测试仪设计与制作

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指导教师

20XX年XX月XX日

预应力混凝土框架模型的循环载荷试验

W.L.MO and R. H. Han

摘 要
预应力混凝土框架结构通常被用在桥梁设计中。但是，它们在反复循环荷载尤其是在遭受严重地震作用下的性能很少被了解。并且大多是桥梁规范中没有提供所需的设计准则。其结论来自对八个小规模的预应力混凝土框架模型分析，模拟加入地震力测试并记录不同的荷载。这个实验的的主要曲线（水平力与位移关系）与理论结果比较，并且试验滞后的循环与按武田法则计算来的相比较。混凝土强度约为40兆帕，预应力钢筋极限强度的有效应力在36％与51％之间。结果发现有效应力减少延性与耗能增加。反复循环荷载的的影响也是有作用的。

关键字：预应力混凝土框架；桥梁设计；循环荷载试验

1. 简介
刚构桥是世界上最广泛使用的一种高速公路桥梁。工程师把基础看做是一个单元通过用支柱构建一个连续预应力混凝土刚框架。这种结构类型不需要混凝土桥墩和支撑面的支持，从而给予了更经济的结构。一般来说，这种桥型，可减少主梁的高度和减少上部结构的材料。在地震地区的调查，预应力混凝土框架桥梁对循环荷载反应是非常重要并且非常有意义。不幸的是，过去大部分对预应力混凝土桥梁研究工作专注于非弹性静态作用下。另一方面，人们普遍知道，预应力混凝土表现出比钢筋混凝土更加的脆。为了在抗耐结构中使用并且通过预应力使结构更加经济，最重要的是了解各种结构部件表现出韧性的方式。对在不同一个部分的应力状态，混凝土可能也需要表现出大的延性和耗能性。从几个实验研究结果已经报告处理过受反复荷载的钢筋混凝土结构。但预应力混凝土结构的数据测试很有限，尤其是在反复循环荷载作用下的记录。由于地震的能量通过非弹性受弯构件耗散较好，在严重的地震带中，多数情况下，铰接的梁或柱更被期待使用。因此为了防止脆性结构失效梁或柱的关键部位应当适当的详细。
要应用反复加载预应力混凝土框架结构的实用抗震设计测试数据，有必要研究各种循环载荷作用下影响。本文介绍了从预应力混凝土框架结构的八个小规模加入一系列循环荷载试验下的结果和加在预应力混凝土框架在相反循环荷载加载的过程。

2． 测试程序

该框架分为两组。这些试验研究了施加有效预应力和反复加载过程对预应力混凝土框架结构的影响。

2.1 混凝土
在所有的试件中预拌混凝土抗压强度值为5000磅（35兆帕）。投入24个标准柱，往里面灌注混凝土且经常的去测试得到随着时间的变化混凝土的强度。粗骨料的最大公称尺寸为10毫米。
2.2 钢筋和预应力钢
在试件中使用了40根三号刚和60根5号钢。在梁中每组试件的纵向钢筋包括4根3号钢，提供了0.79％截面积的梁钢率。同样地在柱中每组试件中纵向钢筋由4根5号钢筋组成，提供了2.0％截面积的梁钢率。绑扎钢筋是2号钢筋。标准的250级直径为12.7毫米的钢绞线作为梁底部的试件，提供预应力钢率0.28％。钢绞线和钢筋的力学性能列于表1

表1

图1

2.3 框架笼
图1表示一个框架笼。梁和柱的每个钢筋笼的长度分别为1170mm和475mm。绑扎是根据ACI规范规定的剪力设计要求。两个高强度直径为25毫米的全螺纹钢被放置在每一列的底部。这些钢筋分别插入到每个铰链钢板支座，以确保这两个支座的铰链连接。
离梁的底部50毫米水平设置一个带有20毫米口径的PVC管，一单链插入到PVC管。等笼完成后，在混凝土框架里面注浆。在投入试验后，框架被施加预应力并且测试28天。
2.4 试件
预应力混凝土框架结构的所有具有相同的尺寸，钢筋，后张预应力束，如图2所示，该模型的原型框架本文报道的比例大约为20。八块框架被分为两组来研究迟滞循环的有效预应力的作用。每个组的四个框架受到四个不同类型的负载的过程，包括单循环和反复讯混荷载。
在被试验前，为了避免应力损失，框架立即被分别加入钢筋极限强度的51％和36％的预应力。这些钢筋无粘结预应力而且强度不充分（极限强度的70％），因为是打算模拟分别为27％和48％的预应力损失。使用STRESSTEEL系统加入预应力，包括楔形锚固和液压强调设备。试样中的第一个字母命名指的是混凝土的强度。字母'L'是指对混凝土强度低于45兆帕，第二个字母'P是指单调荷载下的主要曲线；载入过程分别用字母A，B和C来表示，如图3所示。最后一个字母是指第一第二两组中不同作用的有效预应力。

图2

图3

2.5 工具
四个计量表被用于每个试件，并按照在两个最关键的位置。利用四个LVDT来测试框架的水平位移。水平力用500千牛传感器来衡量。
2.6．测试
每组的第一个标本是单调负载下测试发现负载变形关系（主曲线）。由于具有多个因素，规定水平位移为将最大荷载作用下的水平位移除以屈服位移。水平位移任何一方的钢筋或预应力钢产量第一，被称为屈服位移，正是响应框架明显偏离直线。螺纹钢或是预应力钢首先屈服产生的水平位移称为屈服位移，这里框架曲线反应为偏离直线。其余各组的三个样本进行了用反复循环荷载作用下测试，根据水平位移形成A，B或C类（图3）。
测试详情，如图4所示。所有的试件在水平荷载下测试，铰链连接，允许支座自由转动。这形成了了两个铰链框架的式件。在每次测试之前的准备工作，包括式样的调整、预应力的应用和应变的记录、和梁与柱多个部位的的位移。
实际测试以预应力的应用为开始随。即加入水平荷载，得到的水平位移在表3中。屈服位移§y是理论计算。五秒内需要完成一次循环。所有数据均由收集数据采集系统采集，输出负荷与位移并连续绘图。

图4

3.试验结果

3.1 主要曲线
LP -1和LP- 2为试验主曲线，折叠的曲线为其余六个试件，分别都显示在图5和6中。可以看出，在梁的钢筋达到临界屈服点前，所有在同一组曲线是相似的。屈服后曲线逐渐分离。在极限状态中，理论水平力与水平位移很接近试验结果。应当指出，对试件LA – 1， LB- 1，和LC- 1滞回的折叠曲线，类似的样本的LP -1的主要曲线。同样试件LA – 2， LB- 2，和LC- 3滞回的折叠曲线，类似的样本的LP -2的主要曲线。
3.2 与理论的比较
对预应力混凝土框架结构的主要理论预测曲线绘制在图5和6中。在图5和6的理论曲线非常接近相应的测试曲线表现在三个方面：（1）屈服前曲线的预测与测试吻合较好;（2）预测的极限水平力比最终的实验水平力低;（3）水平极限位移的预测也比从测试的最终位移低。平均而言，最终的实验极限水平力比理论预测大15％。可能有三个因素的影响：首先，在分析框架柱之间的中心到中心的距离作为跨度长，但是，一个负塑料中性轴的铰链梁靠近柱的内面。其次，塑料长度均大于在假定的分析。第三，部分都受到弯曲和压缩的框架的目的使钢拉伸而屈服。轴向力和水平力因此都增加。对极限弯矩轴向力的作用可以包括通过使用交互曲线。然而，弯矩轴力比在每个部队一级和轴向力与弯矩曲率不同的关系并没有受到调查。总之，为比较两组实验和分析结果，如图5和图6所示，显示了在整个负载过程吻合。
3.3 迟滞回圈
六个测试样本在反复荷载作用下的滞回圈见图7-12。装载A型（标本的LA - 1和LA -2），负载增加后迟滞回圈慢慢变得更大。达到极限荷载，他们逐渐变得平坦。加载在第一个周期B型（标本的LB- 1和LB- 2），滞回圈接近极限载荷和最大的循环生产。后来的迟滞回圈变得越来越小。加载C型（标本的LC -1和LC- 2）迟滞回圈像是A和B联合起来加载的结果。部分负荷上升，迟滞回圈类似于载入A型。部分负荷下降时，类似于载入B型。当LA -1，LB- 1和LC -1的水平力和应变关系被绘制出是，对位移和相同载荷下的钢材品种的滞回圈非常相似。换句话说，钢的应变也依赖于加载的过程。一般而言，实验迟滞回圈按规定载荷历程相当密切。因此，反复循环的荷载在加载过程对预应力混凝土的性能影响是很大的。
3.4 失效模式
失效模式两组的测试显示在图13和14个,和表2。失效的八块框架可以分为两种主要类型，即梁中临界区抗弯失败下(A表示)和柱中的剪力失效(B表示)。破坏模式一个可以进一步归分为两类,即。如前所述,A1及A2见表2。八个框架中的两个塑性铰应该全部进行计算。连接铰链能够很好地避免被横向线圈过度限制。因此延性能够比测试大很多。同时,剪切破坏在底部两端列是可以避免的框架模型提供了适当的限制的时候。提供适当的限制，柱子底部剪力的失效能够被阻止。

图5

图6

4．讨论结果

一个普遍看法是，预应力混凝土框架试验表现出相当韧性。从当前的一系列试验得到，对预应力混凝土框架结构性能的影响研究变量包括预应力的数值，加载过程和Takeda规则形成的迟滞回圈。请注意，该模型框架体积小，因而实际的桥架可表现出有所不同的性能。
4.1 预应力效应
像之前提到的，1组（LP-1,LA-1，LB-1,LC-1试件）和2组（LP-2，LA-2，LB-2，LC-2试件）是有效预应力。同样的加载方式，1组中试样与2组中的试样按照耐久性与吸能相比较。当试样LP-2，LA-2，LB-2，LC-2与试样LP-1,LA-1，LB-1,LC-1分别相比较，从表2中可以看出第2组种试样的韧性与吸能性都比第一组中相对应的试样要强。在表2中，延性定义为最终位移除以屈服位移，分为位移，以及耗能能力是被迟滞循环的所有封闭的面积之和。因此，有效预应力的减少使得韧性和耗能增加。
4.2．负载过程
每组都有一个单调加载和三个循环加载类型A,B和C（表3）。加载过程对预应力混凝土的影响能够在图7-12中观察出出来，并且在表2中可以看到韧性和耗能的影响。迟滞环的形状密切跟着指定负载的过程，因此的负载的过程对迟滞回圈效果显着。
4.3迟滞回圈与武田规则对比
武田规则被平凡的用的钢筋混凝土框架结构中。在这个节中将要研究下武田规则能不能运到预应力混凝土框架中。挑出一个试件，就是试件LA-2。2个样品的LA -2的滞回曲线绘制在图15. 试验主要三线性曲线在这个图绘制比较容易对比。在第一次循环的最大水平力有一个在屈服和极限之间的数值（图15a）；且最大的第二个循环水平力接近极限水平力（图15b）。根据武田规则的循环也绘制在图15中。能够从图15得到武田规则没有考虑到试验性滞后循环有一个收缩效应。在每个循环迟滞消散能量计算武田的规则和测试结果，每个循环迟滞消散能量计算都使用了武田的规则和测试结果，它们在图15指出。在一次循环中，武田的规则得到的耗能比试验中大1.5倍。在第二个循环中，从武田的规则得到的耗能比从试验得到的高8.4％。换句话说，武田的规则需要修改预应力混凝土框架结构的非线性动态分析。

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

5.结论
主要曲线预应力混凝土框架结构（应力应变关系），可以通过其他地区的理论方法与可接受的精度来预测。在低周反复荷载下和单调荷载下试样的迟滞循环曲线相似。反复循环的负载过程对预应力混凝土框架结构性能的影响是重要的，因为实验迟滞回圈按规定载荷流程相当密切。三种故障模式被确定，即在梁的弯曲破坏，在梁弯曲破坏后柱的剪切破坏，柱中的剪切破坏。有效预应力降低时延性和耗能增加。当武田规则用在迟滞循环，消耗的能量估计过高。实验结果表明武田的规则中没有考虑收缩效应的意义重大。因此，武田规则还需要进行修改，考虑收缩效应，从而改进预应力混凝土框架结构动力响应分析的准确性。

图15

表2

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