CN110629661A - 一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法 - Google Patents

一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及混凝土墩柱技术领域，公开了一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法。该抗震性能梯度墩柱包括混凝土墩柱、在墩柱内配置的钢筋和梯度配置的梯度筋组成。梯度筋为纤维筋或者形状记忆合金筋。通过梯度筋截面面积的连续或者梯级变化，在墩柱中形成抗震性能梯度。在建造中，根据墩柱的地震受力状态，确定墩柱性能梯度的大小和实现方式，使墩柱性能梯度区顶部截面达到极限曲率以前性能梯度区其它截面不大于其极限曲率。本发明可以实现在地震作用下墩柱性能梯度区同时达到塑性状态，采用本发明建造的墩柱塑性变形区大幅增大，从而变形性能和耗能能力等大幅提高，可以抵抗的地震峰值加速度大幅提高。

Description

一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法
技术领域
本发明涉及混凝土墩柱技术领域，特别涉及一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法。
背景技术
地震是一种破坏力巨大的自然灾害，全球范围内强烈地震频繁发生，给人民的生命财产安全造成严重威胁。桥梁结构中的混凝土桥墩和建筑结构中的混凝土柱是承受地震侧向荷载的关键构件，容易发生震损破坏，造成人员和财产损失，急需大幅提高墩柱的抗震性能水平。
为了抵抗地震的作用，目前混凝土墩柱(包括桥墩、结构柱等)一般采用延性抗震设计，在地震作用下墩柱会发生明显的塑性变形来抵抗地震的作用，耗散地震输入的能量，以保证墩柱不会发生倒塌破坏。但是，现有的技术下混凝土墩柱在地震作用下塑性变形区的范围较小，因此墩柱的极限变形能力有限，损伤集中，损伤程度严重，抗震等级较低，难以满足目前民众对结构抗震的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法，以解决现有技术中的混凝土墩柱抗震等级低的技术问题。
本发明的一种抗震性能梯度墩柱的技术方案是：
一种抗震性能梯度墩柱包括混凝土墩柱以及布置在所述混凝土墩柱内的钢筋，还包括梯度配置在所述混凝土墩柱内的梯度筋。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述墩柱中的混凝土为普通硅酸盐水泥混凝土或高延性混凝土、高性能混凝土。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述梯度筋为纤维筋或形状记忆合金筋。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述钢筋一般在墩柱全长范围内布置。所述梯度筋可以在墩柱全长范围内配置，也可以在部分范围内配置。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述梯度筋的截面面积可以在墩柱高度方向上连续变化以形成梯度配筋；或者在墩柱高度方向多等级的变化形成梯度配筋，每个等级内梯度筋的面积不变。
本发明的一种抗震性能梯度墩柱建造方法，包括以下主要步骤：
S1:确定地震作用下结构中墩柱的受力状态；
S2:根据地震受力状态确定墩柱性能梯度的大小和梯度的实现方式；
S3:根据抗震目标和性能梯度的目标进行设计，确定墩柱的尺寸、材料和配筋，包括梯度配置的梯度筋的高度和数量；
S4:根据设计建造墩柱。
作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤S2中，抗震性能梯度的大小应保证在地震中性能梯度区顶端截面达到极限曲率时，性能梯度区其它位置截面曲率不大于其极限曲率。
本发明的一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明的抗震性能梯度墩柱通过在混凝土墩柱中梯度配置受力筋来形成抗震性能梯度，抗震性能的梯度变化可以保证在地震作用下墩柱性能梯度区能同时达到塑性状态。由于采用本发明建造的墩柱塑性变形区大幅增大，变形性能和耗能能力等大幅提高，可以抵抗的地震峰值加速度大幅提高，从而提高了土木工程结构的地震安全性。
通过对抗震性能梯度区进行设计计算，各个截面材料的力学性能利用的程度可以通过梯度的大小来调整，通过梯度筋的配置数量和梯度区的高度控制墩柱的地震损伤程度。
不同于现有技术的墩柱变形主要集中在很小的一个塑性铰区域，采用本发明建造的墩柱塑性变形区显著增长，材料的性能得到充分的利用，建造材料的用量减少。
附图说明
图1是本发明实施例的抗震性能梯度墩柱及其建造方法中的连续梯度混凝土墩柱配筋图；
图2是沿图1中A-A向剖视图；
图3是沿图1中B-B向剖视图；
图4是本发明实施例的抗震性能梯度墩柱及其建造方法中的多等级梯度混凝土墩柱配筋图；
图5是沿图4中C-C向剖视图；
图6是沿图4中D-D向剖视图；
图7是墩柱截面曲率与弯矩关系图；
图8是墩柱截面曲率与高度关系图；
图9是性能梯度墩柱载荷位移曲线与非性能梯度墩柱荷载-位移实验曲线的对比图；
图中：1-钢筋；2-梯度筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的抗震性能梯度墩柱的具体实施例，包括混凝土墩柱以及布置在混凝土墩柱内的钢筋1，钢筋的两端延伸至所述混凝土墩柱的两端。抗震性能梯度墩柱还包括梯度配置在所述混凝土墩柱内的梯度筋2。
其中，混凝土墩柱由普通硅酸盐水泥混凝土制造而成，钢筋1为普通钢筋，梯度筋2采用玻璃纤维筋。其他实施例中，玻璃纤维筋也可以被形状记忆合金筋所代替。
如果采用连续变化的梯度，如图1、图2、图3所示，配筋包括钢筋1以及截面面积连续变化的玻璃纤维筋。本实施例中，采用梯级变化的梯度，配筋包括钢筋1以及截面面积梯级布置的玻璃纤维筋。梯度筋分为两段，具体为墩柱下部配有截面面积不变的玻璃纤维筋，上部未配置玻璃纤维筋，实现在墩柱长度方向上呈梯级配置受力筋。
本实施例的抗震性能梯度墩柱建造方法包括以下主要步骤：
S1：首先确定地震作用下结构中墩柱的受力状态，确定的方法可以为反应谱法、地震响应时程分析方法等。得到本墩柱底部的地震弯矩最大，墩柱顶部的地震弯矩为零。
S2:根据地震受力状态，确定墩柱性能梯度的实现方式为两个等级的梯度，梯度大小为在墩柱底部和距墩柱底面70厘米处同时出现塑性铰；
S3:根据抗震目标和性能梯度的要求，经过设计计算，确定墩柱的高度270厘米，截面尺寸为25厘米×25厘米，混凝土强度等级C45，钢筋1为HRB425等级，玻璃纤维筋强度500Mpa、极限应变0.02。本实施例中，采用两个等级的梯度，根据墩柱截面的弯矩-曲率(M-Φ)曲线分析确定，配筋为位于墩柱4个角的钢筋1和截面中部的4根玻璃纤维筋，玻璃纤维筋的直径不发生变化，配置高度为距墩底70厘米，如图4、图5、图6所示。两个等级分别为距墩底70厘米范围内一个等级，从70厘米到墩顶一个等级，此种配置下在墩柱底和距墩柱底70厘米的截面承载能力同步骤S1中得到的墩柱在该位置的地震受力状态对应，即两个区域可以同时进入塑性状态。
本实施例中，玻璃纤维筋具有较大的变形能力和线弹性的本构关系，在钢筋屈服后配有玻璃纤维筋的截面承载力可以持续增加，利于实现抗震性能梯度。为了对比，另设计一个4根钢筋和4根玻璃纤维筋混合配筋的混凝土墩柱，不同之处是此墩柱玻璃纤维筋沿墩柱高度通长配置，不形成梯度，其它参数完全相同。
为了控制各等级梯度区截面的损伤程度，可以通过增加或减少梯度筋2的配置数量来实现。如图7所示，增加底部梯度筋2配置数量后，则在相同的弯矩作用下梯度区截面曲率减少，图中截面最大曲率从Φ2减少到Φ1，损伤程度降低；而减少梯度配筋后梯度区的损伤程度增大，图中截面曲率从Φ2增加到Φ3。
S4：根据设计制作混凝土墩柱，混凝土墩柱的制作及养护为现有技术，在此不再赘述。
为了测试本发明的抗震性能梯度墩柱的抗震性能，本实施例进行了抗震试验。试验结果显示抗震性能梯度混凝土墩柱在梯度的每个等级区均发生了较大的塑性变形，截面曲率也分别在墩底和距墩底70厘米处出现了两个峰值，如图8所示。非抗震性能梯度混凝土墩柱则只在墩底出现一个塑形变形区，截面曲率也只在墩底一个峰值，如图8所示。相较于非抗震性能梯度混凝土墩柱，抗震性能梯度混凝土墩柱的极限侧向力基本不变，而极限位移大幅度增加，抗震性能增强，如图9所示。同时抗震性能梯度混凝土墩柱中的玻璃纤维筋的用量少，材料成本低。
本发明提供了一种抗震性能梯度墩柱及其建造方法，与现有技术相比具有以下优点。
本发明的抗震性能梯度墩柱建造方法通过在混凝土墩柱中配置梯度筋2来形成抗震性能梯度，抗震性能的梯度可保证在地震作用下墩柱性能梯度区能同时达到塑性状态。采用本发明建造的墩柱塑性变形区大幅增大，从而变形性能和耗能能力等大幅提高，可以抵抗的地震峰值加速度大幅提高。本发明大幅提高了混凝土墩柱的抗震性能水平，保证了土木工程结构的地震安全性。
此外，墩柱各个截面的材料的力学性能利用的程度可以通过性能梯度的大小进行调整，从而可以控制墩柱的地震损伤程度。
不同于现有技术的墩柱损伤主要集中在很小的一个塑性铰区域，采用本发明建造的墩柱塑性变形区显著增长，材料的性能得到更充分的利用，在达到相同抗震性能水平的条件下建造材料的用量大幅减少。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗震性能梯度墩柱，其特征在于：包括混凝土墩柱以及布置在所述混凝土墩柱内的钢筋，还包括梯度配置在所述混凝土墩柱内的梯度筋。
2.根据权利要求1所述的抗震性能梯度墩柱，其特征在于：所述墩柱中的混凝土为普通硅酸盐水泥混凝土或高延性混凝土、高性能混凝土。
3.根据权利要求1所述的抗震性能梯度墩柱，其特征在于：所述梯度筋为纤维筋或形状记忆合金筋。
4.根据权利要求1所述的抗震性能梯度墩柱，其特征在于：所述钢筋一般在墩柱全长范围内布置，所述梯度筋可以在墩柱全长范围内配置，也可以在部分范围内配置。
5.根据权利要求1或4所述的抗震性能梯度墩柱，其特征在于：所述梯度筋的截面面积可以在墩柱高度方向上连续变化形成梯度配筋；或者在墩柱高度方向多等级的变化来形成梯度配筋，每个等级内梯度筋的面积不变。
6.一种抗震性能梯度墩柱建造方法，其特征在于：包括以下主要步骤：
S1:确定地震作用下结构中墩柱的受力状态；
S2:根据地震受力状态确定墩柱性能梯度的大小和梯度的实现方式；
S3:根据抗震目标和性能梯度的目标进行设计，确定墩柱的尺寸、材料和配筋，包括梯度配置的梯度筋的高度和数量；
S4:根据设计建造墩柱。
7.根据权利要求6所述的抗震性能梯度墩柱建造方法，其特征在于：在步骤S2中，抗震性能梯度的大小应保证在地震中性能梯度区顶端截面达到极限曲率时，性能梯度区其它位置截面曲率不大于其极限曲率。
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