塑性铰区ECC套管钢筋混凝土桥墩抗震性能理论与试验研究

Engineered Cementitious Composites (ECC) behaves higher ductility and better damage tolerance, making it a kind of ideal materials in the plastic hinge region of bridge columns to enhance the ductility and damage tolerance of the bridge columns. Based on the literature review, the study on seismic design and retrofit of this kind of bridge columns based on the Performance-based Seismic Design (PBSD) will be proposed to be conducted on three levels, which are material, structural member and design level. On the level of material, the optimization of ECC mix design will be conducted by utilizing the polypropylene fiber with surface alteration. Through a number of experimental tests and theoretical analysis, the constitutive model of ECC will be established by considering different unloading/loading conditions, reverse tension and compression hysteresis and the effect of hysteresis loops . On the level of structural member, the design principle of ECC tube and the flexure and deformation capacity estimation method of ECC/RC composite sections will be proposed. The unilateral cyclic loading will be applied to the scaled bridge columns to clarify the damage mechanism. Furthermore, the analytical model of ECC encased RC bridge column will be proposed. On the level of design, the performance control parameters and optimal control methodology will be studied in order to establish the allowable deformation under different ultimate limit states. And then the design and retrofit methodology based on PBSD will be proposed, being theoretical and experimental backup for the application of ECC in planning or existed bridge.

ECC具有较高的韧性和较好的耐损伤能力，非常适用于RC桥墩塑性铰区域以提高桥墩塑性铰的延性与耐损伤能力。本项目在总结分析国内外ECC研究成果的基础上，拟分别从材料、构件和设计层次对塑性铰区ECC套管RC桥墩抗震性能分析理论和设计方法中的关键问题展开研究。在材料层次，配制出力学性能良好的ECC，建立考虑不同加卸载准则、拉压传递模式以及滞回圈数的ECC滞回本构模型；在构件层次，提出ECC套管的设计准则及ECC/RC组合截面承载力和变形能力的计算公式，揭示塑性铰区ECC套管RC桥墩的地震破坏机理，提出力学分析模型及墩顶位移计算模型；在设计层次，提出塑性铰区ECC套管RC桥墩的性能控制参数及优化控制方法，建立各种性能水平极限状态的墩顶位移容许值，提出基于性能的抗震设计方法与加固措施，为ECC在新建桥梁中的推广应用和既有桥梁的抗震加固提供理论依据和试验支持。

我国作为地震多发国家，近几十年来已发生了多次强震，对的桥梁结构造成了严重损伤，而桥梁震害又引发了交通中断，给人民的生命财产带来了巨大损失。混凝土材料的脆性本质导致了普通钢筋混凝土（RC）桥墩仍然难以满足大震下的延性要求。ECC具有较高的韧性和较好的耐损伤能力，非常适用于RC桥墩塑性铰区域以提高桥墩塑性铰的延性与耐损伤能力。本项目在总结分析国内外ECC研究成果的基础上，以使用范围最广的简支梁RC实心墩为研究对象，通过低周往复拟静力静载试验和数值模拟分析，研究了在水平低周往复荷载作用下的ECC套管RC组合桥墩的抗震性能和影响规律，主要研究工作及成果包括如下几点：（1）给出了流动度与力学性能良好的ECC配合比，并开展了ECC的基本力学性能试验，建立了考虑不同加卸载准则、拉压传递模式以及滞回圈数的ECC滞回本构模型。（2）对ECC套管RC组合桥墩的抗震性能进行了试验研究。提出了基于不同材料受压本构关系的ECC套管设计准则，明确了ECC套管厚度对于ECC套管RC组合桥墩抗震性能的影响规律，发现满足ECC套管最小厚度设计准则的ECC套管可以显著提升ECC套管RC组合桥墩的抗震性能，并且其抗震性能与全截面ECC塑性铰RC组合桥墩的抗震性能近似，并未发生延性和承载能力的下降。（3）基于横向约束理论，提出了ECC套管RC组合桥墩的数值分析模型，并分析了结构参数对于组合墩抗震性能的影响规律，发现了ECC套管对于纵筋屈曲的抑制作用是导致组合墩抗震性能提高的主要因素。基于数值分析模型，提出了塑性铰区ECC套管RC桥墩的性能控制参数及优化控制方法，建立各种性能水平极限状态的墩顶位移容许值，提出基于性能的抗震设计方法与加固措施。以上成果在一定程度上揭示了塑性铰区ECC套管对于ECC套管RC组合桥墩抗震性能的影响规律，可为强震区的桥梁抗震设计与加固提供参考与指导。