杜修力，陳明琦，韓 強

(北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

近十年，我國橋梁工程發(fā)展迅速，在地勢險峻的山區(qū)，在城市高速連接之間，以及在廣闊的海面上，建成了一批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)復雜、設(shè)計和施工難度大、科技含量高的高墩橋梁。為了實現(xiàn)低碳經(jīng)濟，節(jié)約高墩的成本，現(xiàn)在大部分工程都采用空心橋墩，因此，對于空心橋墩在地震災害中的性能研究，具有重大實際意義。

基于此工程背景，本次試驗以鋼筋混凝土空心橋墩為研究對象，并對施工工序和養(yǎng)護條件要求極其嚴格，以保證空心橋墩的質(zhì)量，確保能夠準確地模擬實際空心橋墩在地震中的受力狀態(tài)和破壞過程。根據(jù)現(xiàn)有的實驗室條件，盡可能制作較大比例的試驗試件，對其進行水平低周往復加載試驗，評價其破壞機理和抗震性能。本文重點分析不同配筋率、軸壓比、箍筋間距對相同幾何尺寸的鋼筋混凝土空心橋墩抗震性能的影響。

1 試驗概括

1.1 試件設(shè)計

本次試驗共有五個試件，編號分別為 S1、S2、S3、S4、S5，其幾何尺寸完全一致，外廓截面尺寸為500 mm×360 mm，空心截面尺寸為260 mm×120 mm，壁厚120 mm，有效高度2 880 mm。考慮到實際工程中空心橋墩的強度比較高，故混凝土用C40，縱筋及箍筋均為Ⅱ級鋼筋。實測鋼筋屈服強度385 N/mm2，極限強度413 N/mm2，混凝土立方體抗壓強度實測平均值為41.5 MPa?？招臉蚨赵嚰某叽鐖D如圖1、配筋圖如圖2、圖3所示。剪跨比為8.7，設(shè)計試驗為彎曲破壞。5個試件分成3組，分別研究配筋率、軸壓比、箍筋間距的影響。第1組分析不同配筋的影響，包括S1和S2、S3和S4;第2組分析不同軸壓比的影響，包括S1和S3、S2和S4;第3組分析箍筋間距的影響，包括S2和S5。各試件的設(shè)計參數(shù)見表1。

圖3 墩頭、基座配筋圖Fig.3 Reinforcement of top and base

1.2 測試方案

(1)加載裝置

試驗在北京工業(yè)大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，加載系統(tǒng)分為三個部分:豎向加載裝置、水平加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。豎向加載系統(tǒng)由龍門架、加載梁和千斤頂組成，加載過程中，豎向力保持恒定，千斤頂隨試件同時水平移動。水平荷載應用MTS伺服系統(tǒng)液壓作動器來控制，作動器最大出力為1 000 kN，行程為±300 mm。作動器固定在反力墻上，由反力墻提供支持。試件內(nèi)鋼筋粘貼應變片，周圍布置位移計和混凝土應變儀，用于采集試件內(nèi)部和外部變形數(shù)值。采集系統(tǒng)采用英國IMP數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該系統(tǒng)由應變傳感器、接線板、數(shù)據(jù)采集板和電腦組成，可單采或連采，采集速度為1次/2S。加載示意圖見圖4。

表1 試驗試件橋墩特性Tab.1 Specimen Properties

(2)加載制度

首先沿軸心在試件頂部施加豎向荷載，荷載值由軸壓比0.1、0.2分別計算確定，在試驗過程中，豎向力的大小和方向保持不變。然后利用水平作動器對試件頂部施加低周反復水平荷載。在加載過程中采用全程位移控制，屈服前力與位移成比例增加，加載不循環(huán);屈服后，變形增量加大，力的增量變小，每級加載循環(huán)一次。當試件承載力出現(xiàn)明顯下降時，結(jié)束試驗。試驗模型見圖5。

圖4 加載示意Fig.4 Experimental setup

(3)量測內(nèi)容

主要量測內(nèi)容包括:① 頂部豎向荷載;② 頂部水平荷載;③ 頂部水平位移及各測試點位移;④ 預測屈服點縱筋應變;⑤ 與預測縱筋屈服同一高度處的箍筋應變;⑥ 混凝土應變。

圖5 試驗模型Fig.5 Testing model

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞過程及特征

總體說來，五個試驗試件均為彎曲破壞，且S1、S2、S3、S4 試件產(chǎn)生裂縫與屈服時的位移及其他破壞特征非常相似，5號試件與其他試件的破壞過程一致，只是出現(xiàn)裂縫和發(fā)生屈服時對應的位移略有差別。試件從加載到破壞先后經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段。

第1級加載，試件無明顯變化，處于彈性階段。第2級加載，S1、S2、S3、S4試件荷載為峰值荷載的45% ～50%，S5試件為37%時，在橋墩端部大約45 cm處出現(xiàn)一條水平細微裂縫。第3級加載，水平裂縫迅速、大量增加，分布在試件的四個方向，沿橋墩端部向上10、20、30、40、50、60、70 cm 處。卸載時，裂縫閉合很好。第 4級加載，每隔10 cm繼續(xù)產(chǎn)生更多的水平裂縫，但卸載后，裂縫不再閉合，進入彈塑性階段。之后隨著荷載的繼續(xù)增大，裂縫不斷發(fā)展。

第6級加載，同一高度處的裂縫、及四個面的裂縫都開始貫通，形成一整條裂縫。橋墩與基座處起皮，出現(xiàn)裂縫。S1、S2、S3、S4試件從第7級加載，S5試件從第9級開始，幾乎沒有新的水平裂縫產(chǎn)生，但是變得越來越寬。墩角處出現(xiàn)短的豎向裂縫。

圖6 試件破壞過程Fig.6 The process of breaking down

第11級加載，在50 cm處發(fā)展為一條明顯的主裂縫，寬度為2 mm。加載面15 cm以下的混凝土表面和各墩角處開始剝落、壓碎。后期加載中，混凝土大面積嚴重剝落，加載面15 cm以下混凝土的保護層完全脫落，可以看見鋼筋，縱筋鼓起。最后，伴隨著“砰”地一聲，可以判斷出是縱筋斷裂，試驗結(jié)束。

整個加載中，各試件均經(jīng)歷了混凝土開裂、鋼筋屈服、混凝土表面初始剝落、混凝土表面完全剝落、鋼筋變形、鋼筋斷裂的破壞過程。顯著的現(xiàn)象是在橋墩表面每隔10 cm出現(xiàn)水平裂縫，整體形成“水波”式規(guī)則裂縫。試件破壞過程照片見圖6。

2.2 滯回特性分析

試件 S1、S2、S3、S4、S5的底部剪力 -頂點位移滯回曲線見圖7。由滯回曲線可見，試件開裂前，加載和卸載曲線基本重合，滯回曲線近似為直線，試件處于彈性階段，滯回環(huán)包圍的面積極小。試件開裂后，滯回環(huán)面積逐漸增大，呈現(xiàn)梭形。試件屈服后，加載循環(huán)一次，循環(huán)加載對應的滯回環(huán)明顯比首次加載的要窄、細。隨后，滯回環(huán)越來越飽滿。達到峰值荷載后，滯回曲線逐漸出現(xiàn)“捏縮”現(xiàn)象，這是由于裂縫的寬度增大，產(chǎn)生了滑移。

圖7 各試件滯回曲線Fig.7 Force-displacement response of bridge columns

表2 空心橋墩承載力、位移實測值Tab.2 Load-carrying capacity and displacement

2.3 試件承載力和位移

各試件的開裂荷載、屈服荷載、最大荷載、極限荷載實測值及對應位移見表2。其中，開裂荷載Fcr是試驗過程中首次出現(xiàn)裂縫時對應的荷載值，極限荷載Fu是試件承載力下降到最大值85%時的荷載，屈服荷載Fy由圖8確定。Fy/Fu為屈強比，Uu/Uy為延性系數(shù)。表中清楚地顯示了各試件的破壞參數(shù)，現(xiàn)從配筋率、軸壓比、箍筋間距分析:

(1)配筋率的影響:

試驗發(fā)現(xiàn)，配筋率對橋墩性能的影響，是與軸壓比共同作用的。不考慮軸壓比作用下，隨著配筋率的增加，試件的開裂荷載、屈服荷載、峰值荷載和極限荷載均有所提高。延性系數(shù)下降，表示當配筋率高時，試件從明顯屈服到極限荷載發(fā)展的過程變快，對工程不利。如圖8，圖(a)表示軸壓比為0.1，圖(b)表示軸壓比為0.2。明顯看到，軸壓比大時，配筋率高的橋墩承載力極大提高。

圖8 屈服荷載的確定Fig 8 The method of define Fy

(2)軸壓比的影響:

軸壓比對橋墩的影響顯著。相同的構(gòu)件S1和S3，S2和S4在軸壓比分別為0.1、0.2的作用下，極限承載力分別提高了52.7%、174.2%，同時極限位移分別下降了13.3%、11.4%，延性比均下降了8.7%。說明較大的軸向壓力一定程度上限制了空心橋墩的開裂以及后續(xù)的破壞過程，能較大幅度地提高空心橋墩的承載能力，同時使變形能力和延性顯著下降。見圖10。

圖9 S1和S2、S3和S4骨架曲線Fig.9 Force-displacement curves of S1、S2、S3、S4

(3)箍筋間距的影響:

S2、S5縱筋配筋率相同，軸壓比均為0.1，只是箍筋間距不同，分別為40mm、55mm。S5的極限荷載比S2有所降低，達到4.3%。S5在位移為8.01 mm時出現(xiàn)初始裂縫，S2在11.85 mm時，S5的開裂荷載比S2的低。同時，S5比S2退后一個加載級達到峰值荷載、極限荷載。S5比S2的極限位移和延性比分別增加了9.3%、33%。說明增大箍筋間距使得空心橋墩承載力有所降低的同時，大大提高了變形性能和延性。

圖10 S1和S3、S2和S4骨架曲線Fig.10 Force-displacement curves of S1、S3、S2、S4

2.4 剛度退化現(xiàn)象及分析

各試件的剛度見圖12。由圖中可以看出，試件的剛度衰減隨著位移的增加而增大，隨著試件的開裂、屈服、達到極限荷載，試件剛度下降程度越來越平緩。試件剛度下降是由于裂縫開展的加快使得開裂后的混凝土逐漸退出工作，構(gòu)件有效截面高度不斷降低造成的。配筋率、軸壓比、箍筋間距對剛度的影響和對承載力、延性是同步的。

軸壓比大時，配筋率對剛度退化的影響明顯。相同配筋率時，軸壓比大的試件剛度大，退化也明顯。箍筋間距大的比其他試件的剛度下降趨于平緩，這是由于其延性好，剛度退化緩慢。

圖11 S2、S5骨架曲線Fig.11 Force-displacement curves of S2、S5

圖12 各試件剛度退化曲線Fig.12 Stiffness degradation curves of specimen

3 結(jié)論

(1)本次試驗中的鋼筋混凝土空心橋墩，在低周水平反復荷載和豎向軸壓的共同作用下，均產(chǎn)生彎曲破壞，抗震性能好。

(2)配筋率在大軸壓比的作用下，對鋼筋混凝土空心橋墩的影響明顯。

(3)配筋率相同，軸壓比的增大使鋼筋混凝土空心橋墩的承載力和剛度提高，但降低了延性性能。

(4)箍筋間距對空心橋墩的承載力影響不大，卻大大改變了延性和變形性能。

［1］ Lehman Dawn，Moehle J，Mahin S，et al.Experimental Evaluation oftheSeismicPerformanceofReinforcemed Concrete Bridge Columns［J］.Structural Engineering，2004，130(6):869-897.

［2］ Mo Y L，Seismic Nien I C.Performance of hollow highstrength concrete bridge columns［J］.Journal of Bridge Engineering，2002，7(6):338-349.

［3］Yeh Y K，Mo Y L，Yang C Y.Seismic performance of rectangular hollow bridge columns［J］.Journal of Structural Engineering，2002，128(1):60-68.

［4］ Cheng C T，Yang J C，Yeh Y K，et al.Seismic performance of repaired hollow-bridge piers［J］.Construction and Building Material，2003，17:339-351.

［5］牛欄山，鄭 罡，唐光武，等.反復循環(huán)載荷作用下鋼筋混凝土矩形橋墩塑性鉸區(qū)彎矩曲率關(guān)系試驗研究［J］.公路交通技術(shù)，2005，10(5):91-95.

［6］司炳君，李宏男，王東升，等.基于位移設(shè)計的鋼筋混凝土橋墩抗震性能試驗［J］.地震工程與工程振動，2008，28(1):123-129.

［7］劉慶華，閻貴平，陳英俊.低配筋混凝土橋墩抗震性能的實驗研究［J］.北方交通大學學報，1996，20(5):517-521.

［8］JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［9］GB50111-2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社出版，2006.

［10］GB-50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版，2002.