预应力装配式UHPC抗震挡块的失效机理及设计方法研究

The role of retainers in reasonable bridge seismic resisting system is getting more and more attention. However, the failure mechanism and load transmission mode of the traditional concrete retainer (shear key) is complicated due to its ambiguous structure and reinforcement forms, which will add the trouble to the seismic design of the reasonable bridge retainers. Moreover, it is very difficult to replace and repair the traditional retainers after the earthquake. A novel prefabricated retainer composed of ultra-high performance concrete is expected to solve the above problems. Therefore, it is meaningful and important to research on the seismic failure mechanism and design method of the new retainer in this research. The proposed research includes: (1) the failure mode and mechanism of the fabricated UHPC retainer under the horizontal load; (2) the influence mechanism of the prestressed steel on mechanical properties of the fabricated UHPC retainer; (3) the mechanical analysis model and the multi-level seismic design method of the fabricated UHPC retainers. The research will combine the failure test of retainer, the load-transferring model test of the retainer, the finite element numerical simulation and the theoretical analysis, in order to explore the failure mechanism and the load transmission path of the new retainer under the earthquake, and develop the reliable mechanical analysis model of the new retainer. The research results will propose a new method for the seismic design of the retainers and provide a scientific basis for the application of the new UHPC retainer in practical bridge engineering. Moreover, it will further improve the reasonable bridge seismic resisting system of the small-medium span bridges in China.

挡块在桥梁合理抗震体系中的作用越来越受到重视，但传统混凝土挡块（剪力键）的构造和配筋形式不明确导致其传力模式和破坏机理较复杂，给合理的桥梁抗震挡块设计造成困扰，且震后的挡块更换和修复十分困难。新型装配式超高性能混凝土(UHPC)挡块有望解决以上问题，因此，本项目对该新型挡块的地震破坏失效机理和设计方法展开研究有重要的意义。拟进行的研究内容包括：(1)水平荷载作用下装配式UHPC挡块的破坏模式和失效机理；(2)预应力对装配式UHPC挡块力学性能的影响机理；(3)装配式UHPC挡块力学分析模型及多水准抗震设计方法。研究中将结合挡块破坏试验、挡块传力模型试验、有限元数值仿真和理论分析等方法，揭示新型挡块在地震作用下的失效机理和传力路径，建立可靠的挡块力学分析模型。研究成果将为桥梁抗震挡块的设计提供新思路，为新型UHPC挡块在桥梁中的应用提供科学依据，进一步完善我国中小跨径梁式桥的合理抗震体系。

横向挡块是防止主梁在地震作用下发生横向位移和落梁的重要构件之一，然而，我国现行桥梁抗震设计规范对抗震挡块尚没有明确设计条文，传统普通混凝土(NC)挡块遭受地震破坏的机率很大且震后的挡块修复十分困难。因此，本项目提出了一种传力模型明确且震后修护、更换方便的新型装配式超高性能混凝土(UHPC)挡块结构，对其抗震性能进行了研究。主要工作内容和结论如下：首先，根据结构形式和材料的不同设计四组不同的挡块试件并进行拟静力破坏试验。研究结果表明：采用UHPC材料能大大增强横向挡块自身的水平承载能力，UHPC挡块的损伤非常小但NC挡块基本完全破坏；采用装配式挡块结构形式能大大提升横向挡块的水平位移能力和自复位功能，且装配式挡块对盖梁的损伤程度远小于整体式挡块。然后，建立有底座型装配式普通混凝土挡块的有限元模型，基于试验结果对有限元模型进行验证；分析摩擦系数、材料强度、预应力等对装配式挡块力学性能的影响。研究结果表明：有底座型挡块与盖梁侧面间的摩擦影响挡块的耗能性能，临界转动荷载和承载力随着水平预应力的增大而增大，由于材料强度的限制，仅增大钢束数量难以根本上提升NC挡块的承载力。最后，提出了一种具有自复位功能的直缝拼接预应力装配式UHPC抗震挡块结构并进行试验研究，试验共设计了4组UHPC直缝挡块，系统地研究了挡块厚度、试验加载高度，以及初张力的对挡块抗震性能的影响。以上研究成果在一定程度上揭示了新型装配式挡块在地震作用下的破坏机理，为解决我国中小跨径桥梁挡块的设计难题提供了新思路，具有重要的科学意义和工程应用前景。