采用CFRP修复的预制节段拼装桥墩抗震性能试验与数值分析

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预制节段拼装桥墩以其建设速度快、施工质量好和对场地周边环境影响小等一系列优势被越来越广泛地运用到现代桥梁建设当中。同时我国地域辽阔,分布有多条地震带,桥墩在地震中损伤会严重威胁到桥梁的安全使用。采用快速且有效的方法对地震中受到损伤的桥墩进行修复,对快速抢通救援通道、降低经济损失和节约重建资金都有着重要的意义。修复后的桥墩抗震性能直接影响着桥梁在未来阶段使用的安全性、稳定性和可靠性。针对混凝土桥墩修复后抗震性能的一系列问题,本文结合预制节段拼装桥墩自身的结构特点和地震响应特点,采用碳纤维修复混凝土结构的方法,同时配合固化速度较快的粘钢胶对损坏的预制节段拼装桥墩比例模型进行了损伤修复,并对修复后的模型试件抗震性能进行了试验研究。同时利用通用有限元仿真软件ABAQUS研究了CFRP修复参数对所修复桥墩结构抗震性能的影响,具体进行了以下几个方面的研究工作:(1)对原始桥墩模型进行循环往复加载试验,试验结束后对损伤模型的混凝土破损位置采用粘钢胶进行填补,同时外侧包裹CFRP。对修复后的模型进行同样加载制度的循环往复荷载试验,对比分析了两种桥墩模型的损伤特点、滞回曲线、能量耗散等性能;(2)参照试验模型,利用有限元软件ABAQUS建立原始桥墩模型的三维实体有限元模型,对混凝土损伤部位的几何形状进行了简化处理,完成粘钢胶填补损伤混凝土部位的三维实体模型建立,并模拟了侧面环绕包裹碳纤维布后的加载过程,对比分析了有限元计算结果与试验结果;(3)利用ABAQUS软件对CFRP修复的桥墩模型进行了参数化分析,其中包括对有无CFRP包裹、CFRP包裹厚度、CFRP包裹高度和纤维是否跨越节段接缝等进行了多方面研究,并将不同修复参数下的抗震性能进行对比,分析了不同的修复参数对桥墩模型抗震性能的影响效果。主要得到了如下结论:(1)采用碳纤维包裹的方法修复损伤的预制节段拼装桥墩能够有效恢复受损桥墩的承载能力,同时能量耗散水平有一定提升,并且在墩顶位移较大的状态下承载力较原始试件得到了明显提升;经CFRP修复的混凝土节段没有发生明显破损,碳纤维没有明显断裂,修复桥墩的抗震性能得到了恢复和改善,并且整体安全储备较大;(2)试验和有限元计算得到的桥墩模型滞回曲线、骨架曲线和材料应力应变曲线等结果基本能够吻合,证明了本文中对粘钢胶填补缺损位置的简化和包裹CFRP修复桥墩的三维实体有限元模型合理性较好,能够较好反映整体结构和材料的响应情况,也说明了膜单元在模拟碳纤维布方面的优越性;(3)CFRP包裹厚度对修复模型的承载能力影响明显,而CFRP包裹高度则对修复模型的能量耗散水平影响更为明显。但包裹厚度的存在上限,当碳纤维布包裹厚度过大时会造成桥墩耗能能力下降,本文中包裹2层碳纤维布的桥墩模型相较于未包裹碳纤维布的桥墩模型在承载力方面提升了8.7%,同时其耗能能力也得到一定提升;在碳纤维布包裹厚度一定时,包裹范围越大越能够提升修复桥墩的耗能水平,包裹范围达到节段高度75%时,其耗能水平相较包裹节段高度25%的工况提升了22.7%。当包裹的碳纤维布跨越了节段间接缝时,节段间相对滑移基本消失,混凝土剪切破坏几乎转化为受弯破坏,同时在碳纤维布的环向约束下,修复桥墩的耗能水平和承载能力都得到了显著提升。
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