高等结构试验

1.4输入地震动波
选用ElCentro波南北向作为输入地震动，该波最大加速度为341.7Ga，l场地属Ⅰ～Ⅱ类。本试验只作单向地震动输入，为了更好地获得桥墩试件非线性地震反应特性，连续输入4条相同的地震动。输入地震动按时间相似比(0.52)进行压缩，加速度峰值也作相应调整，如表5所示。台面输入峰值1。49 g时的加速度时程和傅氏谱分别如图4所示。由图4( b)可以看出，输入的地震动的周期范围为0.1s～0.7s，卓越周期在0.1s左右。
表2钢筋的力学性能
直径（mm）
屈服应力/MPa
极限应力/MPa
弹性模量/MPa
Φ10
310
441
191269
Φ25
360
494
159585
表3混凝土的力学性能参数
位置
抗压强度/MPa
弹性模量/MPa
墩体
25. 1
18089
底板和墩帽
34. 5
/
1.1.3试件尺寸和配筋
本次试验共制作4根桥墩试件，A10、A12、RA12试件采用基于位移的抗震设计方法设计，A14试件根据现行抗震规范设计，试件配筋如图1所示，详细参数如表4所示。
图10试件不同水准地震作用下总地震输入能量
由2.5节可知，不同水准地震作用后试件的割线刚度与试件初始(弹性)刚度比就是位移延性系数的倒数，在大震条件下，A10和A14试件可达到0.25左右。在拟静力试验中，它们严重破坏时这个值为0.20左右
2.7地震输入能量
由图10可看出，中震作用时基于位移设计的桥墩试件地震总输入能要大于按现行抗震规范设计的试件，除RA12的地震总输入能和A 14相近外，A12约为A 14的1.5倍，A10是A14的2倍多；大震作用时则相反，按现行抗震规范设计的A14试件的地震总输入能明显大于其它3个试件，约为A12的1.5倍，接近A10的3倍。另外，A10试件中震时发生了较大的位移延性反应，周期延长，远离输入地震动的卓越周期，导致其大震时地震总输入能显著减小。
图5桥墩震后照片
2.2加速度和位移反应
试件顶部绝对加速度和位移反应最大值如表6所示。以A10和A 14为例，图6对其绝对加速度和位移反应时程进行了比较。可以看出，小震时两试件顶部位移和加速度反应相近；中震和大震时，A10的反应明显变大，中震时绝对加速度和位移反应最大值分别比A14大31%和18%，大震时为30%和17%。
矩形
200
8φ10 1.6% )
φ2.5@ 25(0.39% )
注：RA12 截面抗弯强度与A12相同。
图1试件配筋详图
1.2 配重方案
上部结构和活荷载用人工质量模拟。制作一配重箱，内放重4500千克的铅块和铁块，固定于试件顶部加强墩帽上。配重箱设计平、立面图如图2所示，箱体由3 mm 厚的钢板焊接而成。为考虑与墩帽固接，在箱体中心处焊接一内径300 mm、高400 mm 的无缝钢管，并在其封口钢板上预留螺栓孔与加强墩帽顶部预埋螺栓连接。配重箱侧面、底板和焊缝处分别用槽钢和角钢加固。试件安装于振动台之后的照片如图3所示。
表9试件的位移延性系数
试件编号
RA12
A12
A10
A14
地震水准
中震
大震
中震
大震
中震
大震
中震
大震
方法一
2.0
3.4
1.5
2.1
3.5
4.1
2.3
3.9
方法二
2.0
2.2
1.1
3.4
2.3
2.6
1.9
2.0
方法三
2.0
3.4
1.5
2.1
3.5
4.2
2.3
3.9
图9桥墩试件位移延性系数
2.6试件的割线刚度
频率
1.93
注：mm为模型质量，ma为模型中设置的人工质量，mom为模型中活载和非结构构件的模拟质量，mp为原型结构构件的质量，mop为原型中活载和非结构构件的质量。
1.1.2模型材料
桥墩墩体混凝土使用325号波特兰水泥，混凝土配比为1：2：2(水泥细砂石子)，墩体纵筋采用Φ10，箍筋采用直径为2. 5mm的镀锌铁丝；墩帽和底板的混凝土使用425号波特兰水泥，配比为1：1：1.63，纵筋为Φ10，箍筋采用Φ25。模型材料的力学性能参数如表2和表3所示。
钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究的初步设计
导师给我定的研究课题是：钢筋混凝土桥墩倒塌抗震性能研究。在老师的指导和帮助下，我了解了许多相关的内容，阅读了一些相关的文献。通过模型振动台试验研究基于位移设计的钢筋混凝土桥墩的抗震性能。以完成的拟静力试验中的桥墩试件为参考原型，利用基于位移抗震设计方法和现行桥梁抗震规范方设计了4根1：2的钢筋混凝土桥墩试件并进行了模型振动台试验。对小震、中震和大震作用下桥墩试件的破坏形态、加速度和位移反应、位移延性系数和地震总输入能(耗能)等方面进行了比较分析。综合拟静力试验和振动台试验结果，可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求。
得到的试件阻尼比如表8所示，可以看出随输入地震动强度增加，试件阻尼比增加，总体在2%-4%之间，不同试件相差不大。
表8试件的阻尼比
试件编号
小震
中震
大震
RA12
0.028
0.030
0.035
A12
0.024
0.026
0.034
A10
0.029
0.035
0.037
A14
0.024
0.024
0.033
2．4动力放大系数
表6桥墩试件顶部位移和加速度反应最大值
工况
RA12
A12
A10
A14
位移
加速度
位移
加速度
位移
加速度
位移
加速度
小震
1.08
0.25
1.04
0.29
1.01
0.27
0.90
0.28
中震
1.93
0.36
1.49
0.45
1.68
0.46
1.42
0.35
大震
2.57
0.55
2.06
0.57
2.14
0.69
1.83
表5试验工况
工况顺序试验名称
输入方式
调整前峰值/ g
调整后峰值/g
调整后峰值/g
1
敲击测试
敲击1
2
ElCentro波
0.4
0.24
小震
3
敲击测试
敲击2
4
ElCentro波
0.14
0.74
中震
5
敲击测试
敲击3
6
ElCentro波
0.8
1.49
大震
7
敲击测试
敲击4
2试验加载装置与加载制度
加载装置如图3所示。试验加载首先根据轴压比(0.19)施加竖向荷载,并保持恒定,然后施加往复水平荷载。试验水平加载历程如图4所示,采用力-位移混合控制方案,每幅值加载5周。首次施加桥墩理论屈服荷载Fi的0.7倍,然后根据图4 ( b) 方法计算“屈服位移”△y, 此后依次按1△y、2△y、3△y、4△y……施加位移, 直至当某一幅值位移作用下,水平荷载下降到最大值的0.85倍以下时,试验停止。
表7试件自振周期
试件编号
小震前
小震后
中震
大震
方法二
方法一
方法二
方法三
方法一
方法二
方法三
方法一
方法二
方法三
RA12
0.40
0.55
0.55
0.54
0.56
0.57
0.56
0.73
0.58
0.73
A12
0.47
0.56
0.48
0.54
0.56
0.50
0.56
0.68
0.85
0.68
A10
0.39
0.42
0.53
图6 A10和A14顶部位移和加速反应比较
2.3试件的周期和阻尼
桥墩试件可近似看作是单自由度系统，它的周期通过三种方法获得：一是对地震动作用时模型顶部的加速度或位移反应进行快速傅里叶变换，将傅氏谱峰值对应周期作为试件周期；二是每次输入地震动前、后人工敲击顶部配重箱，激起试件的自由衰减振动，获得试件周期；三是利用台面停止输入后，试件会产生自由衰减振动，对这部分波形进行分析得到试件周期。第一种方法获得的试件周期并不可靠，仅作参考；敲击时输入能量较小，故第二种方法所得到周期应该最短。三种方法所得试件周期如表7所示，总体上随输入地震动强度增加，试件周期延长。第一种方法和第三种方法所得试件周期相差不大，与第二种方法的差别主要产生在大震作用时，最大相差约为40% 。
试件绝对加速度反应的最大值和输入地震动加速度最大值之比即为动力放大系数。试件在不同水准地震作用下的动力放大系数如图7所示。由图可以看出动力放大系数随着输入地震动加速度峰值的增加而不断减小。A12和RA12在中震后放大系数的变化趋于平缓，A 10和A14基本呈线性下降，A14在不同加速度
峰值输入时总处于较小的值，大震后的放大系数已经接近0.4，为所有试件中的最小值。
图7不同峰值加速度下桥墩动力放大系数
图8理想弹塑性恢复力模型
2.5位移延性系数
假设桥墩顶部侧向力和位移的恢复力模型为理想弹塑性(图8)，显然有：
(2)
(3)
(4)
式中，T0为桥墩损伤前的自振周期；T为任一级地震后桥墩的自振周期；μ为位移延性系数。
由于试件的侧向力-位移关系不是严格意义上的理想弹塑性模型，故此种方法得到的位移延性系数只是一种近似估计。考虑不同方式估计的试件周期存在一定差别(表7) ，以振动台试验前用敲击方式获得的试件周期作为桥墩损伤前的T0，表9给出了不同方法计算周期对应的试件反应的位移延性系数。可以看出，中震条件下除A10外，试件位移延性系数约在2左右；大震条件下试件最大在4左右。文献[ 1] 中完成的桥墩试件拟静力试验表明，损伤控制极限状态对应位移延性系数约为2.5，控制倒塌极限状态对应位移延性系数大于5。除A 10试件中震条件下位移延性系数大于2. 5外，其它试件中震、大震条件下位移延性系数均分别在上述数值之内。图9给出了位移延性系数与输入地震动峰值的关系(周期按方法一)，供参考。
0.48
0.56
0.73
0.59
0.73
0.79
0.63
Βιβλιοθήκη Baidu0.81
A14
0.37
0.44
0.45
0.56
0.56
0.50
0.56
0.72
0.52
0.72
注：单位/ s。
试件的阻尼比由第三种方法求得，即对自由衰减振动顶部加速度峰值点进行分析，有：
(1)
式中，ξ为阻尼比；ai为的第i个峰值；ai+ n为第( i+ n )个峰值。
图5试验加载装置
图6试验水平加载历程
3试验内容
1.桥墩试件破坏形态；
2.桥墩试件能够满足中震和大震条件下的位移延性需求；
3.位移延性系数；
4.滞回曲线和耗能比较；
5.骨架曲线和试件刚度退化性能。
2试件地震反应分析
2.1试验现象
小震作用后，A10和A12柱体中部以下出现部分水平裂缝，A14整个柱体出现5条近似均布裂缝，RA12无明显破坏现象；中震作用后，原有裂缝多数都有水平向扩展的现象，新增裂缝不多，A10底部已形成环形贯通裂缝，RA12底部出现水平裂缝；大震作用后，桥墩底部均出现贯通裂缝，并出现少量新增裂缝，开裂高度有所增加。A14表面裂缝较密，分布均匀，其它3个桥墩的裂缝主要集中在中部以下，主要裂缝宽度较A14大；RA12裂缝较少，大震后也只有4条可见裂缝。试件大震后破坏照片见图5，试件震后无明显倾斜，基本处于可修复破坏阶段。A14纵筋配筋率要明显大于其它试件，对核心混凝土有良好的约束作用，所以裂缝分布较密，但开裂宽度要小。
1模型振动台试验
1.1试件设计及制作
1.1.1相似关系
综合考虑各方面因素，模型取几何相似比为1：2，根据一致相似律给出模型与参考原型主要物理量的相似系数如表1所示。
表1模型与原型的相似关系
物理量
相似关系
相似比
长度
0.5
弹模
0.6
等效密度
0.65
应力
0.6
变位
0.5
时间
0.52
速度
0.96
加速度
1.86
图2配重箱设计图
图3桥墩试件安装于台面后照片
1.3采集系统
在每个桥墩试件的中部和顶部分别布置一个MBA- 2型差容力平衡加速度传感器和一个SW -1型位移传感器，分别记录试件中部和顶部的绝对加速度和位移反应；振动台台面布置一个加速度传感器，用于记录输入的地震动。采用北奥16通道数据采集系统进行数据采集。
表4桥墩试件主要参数
试件
编号
截面
形式
直径
/mm
纵筋
(配筋率)
箍筋
(体积配筋率)
A10
圆形
200
6φ10( 1.5% )
φ2.5@ 20( 0.48% )
A12
圆形
200
6φ10(2.5% )
φ2.5@ 25( 0.39% )
A14
圆形
200
6φ10(3.0% )
φ2.5@ 25(0.39% )
RA12
图4输入地震动
1．5试验工况
为增加可比性，将四个桥墩试件分为两组进行试验，每次试验时将一组的两个试件同时放在振动台上。A10按基于位移抗震方法设计，在四个模型中纵向配筋率最小，A14按现行抗震规范设计，在四个模型中纵向配筋率最大，故分为一组；A12和RA12按等强度设计，只是截面形式不同，分为另一组。为了避免白噪声输入对模型结构造成的累积损伤，采用每次输入地震动之后人工敲击顶部配重箱的方法测试模型结构的动力特性试验工况具体如表5所示。