塑性鉸區(qū)縱筋加密的少筋混凝土橋墩振動臺試驗研究

李佳文，丁明波，魯景華，王海雷，李傳喜，劉正楠

塑性鉸區(qū)縱筋加密的少筋混凝土橋墩振動臺試驗研究

李佳文，丁明波，魯景華，王海雷，李傳喜，劉正楠

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為探究少筋混凝土重力式橋墩塑性鉸區(qū)縱筋加密設(shè)計思路的合理性，以配筋為0.3%的少筋混凝土重力式矩形橋墩為原型設(shè)計制作縮尺比例模型，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計提出墩底塑性鉸區(qū)局部縱筋加密的對比模型，采用El-Centro波模擬地震進(jìn)行振動臺試驗，測試2種模型的破壞模式及橋墩墩頂位移與加速度時程反應(yīng)。對比研究塑性鉸區(qū)縱向鋼筋加密后橋墩的抗震性能，試驗研究結(jié)果表明塑性鉸區(qū)縱筋加密設(shè)計的橋墩具有良好的抗震性能，說明了此方案的合理性。

少筋混凝土；重力式橋墩；局部配筋加密；振動臺試驗；破壞模式

我國是一個多地震的國家，橋梁工程是鐵路工程中受地震破壞最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)物。我國高速鐵路廣泛采用少筋混凝土重力式橋墩，由于其截面尺寸大、剛度大以及自重大等特點(diǎn)，致使其在地震中受到的地震力亦大[1]。針對此結(jié)構(gòu)破壞部位一般發(fā)生在墩底，修復(fù)需墩底與基礎(chǔ)錨固[2]，本試驗對比模型針對此薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，設(shè)計塑性鉸區(qū)縱筋局部加密模型，并探究其在地震作用下的破壞模式。目前，利用振動臺試驗研究少筋混凝土重力式橋墩的課題較少，蔣麗忠等[3]通過擬靜力試驗研究圓端形高速鐵路重力式橋墩，認(rèn)為縱筋配筋率較低時橋墩滯回曲線呈現(xiàn)出捏縮狀。陳興沖等[4]采用擬靜力試驗討論少筋混凝土重力式橋墩的抗震性能與縱筋配筋率的關(guān)系。鞠彥忠等[5]對低配筋模型橋墩進(jìn)行擬靜力試驗，得到其延性與配筋的關(guān)系。司炳君等[6]利用ANSYS軟件模擬得到圓形鋼筋混凝土橋墩的滯回曲線及骨架曲線，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了模型的正確性。振動臺試驗是研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最直接的方法，可以實(shí)時再現(xiàn)真實(shí)地震作用或人工地震作用全過程[7]。申彥利等[8]通過振動臺試驗研究鋼筋混凝土空心矩形橋墩的抗震性能。Patrick等[9]制作2個縮尺比例為1/3的鋼筋混凝土原型橋墩，進(jìn)行了振動臺試驗研究，結(jié)果顯示，與擬靜力試驗相比，振動臺試驗下橋墩抗震性能提升，延性更高。Junichi等[10]對鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行三向多維地震輸入的振動臺試驗，結(jié)果表明多向地震激勵比單向激勵下的動力響應(yīng)要大，且水平動力響應(yīng)不受豎向激勵的影響。Arash等[11]對雙柱式橋墩進(jìn)行振動臺試驗研究，采用FRP管?混凝土組合材料對比傳統(tǒng)鋼筋混凝土材料，結(jié)果表明，組合材料的墩柱耗能大，塑性鉸區(qū)高度為傳統(tǒng)模型的2倍。目前，針對少筋混凝土橋墩進(jìn)行振動臺試驗的研究較少。這種結(jié)構(gòu)變形性能較差，在地震中容易受到破壞[12]，有必要利用振動臺試驗的方法探究其抗震性能與破壞模式。本文以配筋率為0.3%的少筋混凝土重力式橋墩進(jìn)行研究，設(shè)計一個配筋率為0.3%的模型橋墩，以此為基礎(chǔ)設(shè)計另一個配筋0.3%且塑性鉸區(qū)局部額外加密0.2%的對比模型，利用振動臺試驗，采用El-Centro波對其進(jìn)行分級加載，得到不同峰值加速度(PGA)作用下的墩頂位移和加速度時程曲線，并得到其破壞模式。

1 模型橋墩及振動臺試驗

1.1 模型橋墩的相似系數(shù)

本試驗研究的混凝土實(shí)體橋墩為8度地震區(qū)圓端形橋墩，橋墩圖號采用蘭烏二線施(普)橋參01，墩高9.0 m，跨度12 m，橫截面為(0.95+1.7+0.95)× 1.9 m2，主梁采用跨度為12 m的T梁。綜合考慮實(shí)際加載條件，根據(jù)慣性矩不變原則將圓端形橋墩轉(zhuǎn)換為矩形橋墩，轉(zhuǎn)換后的矩形截面為1.8 m×3.1 m。

綜合考慮試驗室現(xiàn)有條件，選定幾何相似系數(shù)為1/15，表1為模型相似系數(shù)。

表1 模型主要相似系數(shù)

1.2 模型的尺寸、材料以及配重

本橋原型為鐵路中常用的簡支梁橋，簡化成單墩模型來進(jìn)行試驗，按相似系數(shù)嚴(yán)格設(shè)計橋墩的幾何尺寸和配筋[13]，圖1為橋墩模型的試驗加載圖。其中墩頂配重用鋼板制作的裝有鐵砂的鐵箱實(shí)現(xiàn)，橋墩底座與振動臺用螺栓固結(jié)。

單位：mm

橋墩模型縱筋采用f4光圓鋼筋，箍筋采用f3的10號鐵絲，間距為100 mm，設(shè)計保護(hù)層為9 mm。模型橋墩采用與原型相同的C30混凝土，共制作2個模型，模型Ⅰ為配筋率0.3%的橋墩，模型Ⅱ為全橋配筋0.3%底部縱筋加密0.2%的橋墩，縱筋加密的長度范圍是依據(jù)等效塑性鉸區(qū)的長度設(shè)定，參考中國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02?01? 2998)：p=2/3=80 mm，結(jié)合日本JRA規(guī)范規(guī)定的：p=0.2?0.1=108 mm，考慮到縱筋加密后橋墩破壞區(qū)域向上發(fā)展，本試驗偏保守取值150 mm。加密鋼筋與普通配筋采用同樣尺寸與型號的鋼筋，在橋墩長邊兩側(cè)均勻布置在兩縱筋中間，使其能更好地發(fā)揮抵抗縱向輸入地震荷載的作用，并在端點(diǎn)處設(shè)計彎起，防止滑移，此外另布置一道箍筋與加密縱筋連接，彎起搭接在箍筋上。澆筑中留置標(biāo)準(zhǔn)試塊3組(150 mm×150 mm×150 mm)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，強(qiáng)度滿足要求。模型圖如圖2所示。采用Midascivil建立有限元模型驗證縮尺模型的正確性，利用直接施加節(jié)點(diǎn)荷載來模擬上部配重，得出橋墩原型與模型的1階模態(tài)，見圖3，對比計算得知原橋墩周期為0.218 s，縮尺后的為0.039 3 s，按照動力相似比周期的相似常數(shù)為1/5.477，得出墩頂配重480 kg合理。

單位：mm

(a) 墩臺原型1階振型(T=0.218 s)；(b) 墩臺模型1階振型(T=0.039 3 s)

1.3 測點(diǎn)布置及試驗儀器

本試驗用2個日本松下 Panasonic-HL-G108- S-J激光位移計測動態(tài)時程位移，一個布置在墩頂，由于墩底與臺面固結(jié)，另一個激光位移計布置在臺面；用加速度計(電壓靈敏度為50.39 mV/ms?2，頻率范圍為0.5~3 000 Hz)墩頂和臺面各布置一個，分別測墩頂和墩底的縱橋向水平加速度，并且加以臺面自帶加速度計輔助使用，記錄臺面實(shí)際地震動的加速度時程，墩底兩側(cè)各貼兩個電阻應(yīng)變片，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)布置圖

自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外在研制地震模擬振動臺試驗技術(shù)方面有了較大發(fā)展[14]，2005年，日本建成了目前世界最大的振動臺E-Defense[15]，全稱為“三維原型地震試驗設(shè)備”。本試驗所采用的振動臺為ES-10-240振動臺，該振動臺額定正弦最大推力為10 kN，額定隨機(jī)最大推力10 kN，額定沖擊最大推力20 kN，頻率范圍1~3 000 Hz，最大加速度500 m/s2，最大速度1.8 m/s，最大位移±25 mm，工作臺面為鎂鋁合金材料其尺寸為500 mm×700 mm，臺面豎向最大負(fù)載500 kg。本試驗在蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)試驗室進(jìn)行。

1.4 試驗地震波的處理

本試驗選用El-Centro地震波(1940 N-S向)，對橋墩模型進(jìn)行縱向加載，該原始波的峰值加速度為0.355 69，持續(xù)時長為53.72 s。試驗室實(shí)際加載在模型上的地震波按照動力相似T=0.2，將原始波記錄持續(xù)時間進(jìn)行了全過程壓縮，研究2個模型在逐級遞增的峰值加速度地震荷載作用下的地震反應(yīng)。圖5為全過程壓縮后PGA為0.3的El-Centro波。

圖5 試驗用PGA為0.3g的El-Centro地震波

1.5 試驗加載工況

本試驗2個模型都為縱向輸入地震波，考慮在承載范圍之內(nèi)的所有放大倍數(shù)的地震波，輸入PGA依次為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6和0.8，觀察每一工況的試驗現(xiàn)象，受力狀況，確定2種不同模型的易損位置。表2列出試驗所有工況。

表2 振動臺試驗工況一覽表

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

2組模型在工況1，2和3墩底均沒有出現(xiàn)裂縫。隨著PGA的增大，輸入地震荷載峰值加速度達(dá)到0.4時，模型Ⅰ和模型Ⅱ保護(hù)層均出現(xiàn)裂縫，裂縫還未貫穿整個墩身，模型Ⅰ在墩底2 cm處出現(xiàn)裂縫，模型Ⅱ在距離墩底10 cm處出現(xiàn)裂縫(加密高度距離墩底為15 cm)，由于塑性鉸區(qū)縱筋加密使得破壞部位上移；輸入地震峰值荷載加速度達(dá)到0.6時，裂縫擴(kuò)展，貫穿整個墩身，核心混凝土開裂，裂縫在輸入的地震荷載作用下一張一合清晰可見，頂部位移持續(xù)增大。模型Ⅱ墩底與承臺連接完好，若需要震后快速修復(fù)，只需墩身裂縫周圍外包圖纖維布、外包混凝土或外包鋼板[2]即可，無需考慮墩底與基礎(chǔ)的錨固，節(jié)約成本和時間。圖6~7為裂縫發(fā)生部位示意圖。

單位：mm

2.2 地震響應(yīng)分析

墩頂位移與墩頂加速度時程反應(yīng)是結(jié)構(gòu)在地震過程中動態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)，也最能體現(xiàn)出抗震性能的變化。

單位：mm

2.2.1 墩頂位移極值與時程曲線

通過記錄地震荷載作用下墩頂和墩底絕對位移，計算得到墩頂相對墩底的位移，取其極值進(jìn)行研究，以此評價模型在位移響應(yīng)方面的抗震性能。表3為各個工況下墩頂相對墩底的位移極值。從表3可以看出，裂縫未發(fā)生前，模型Ⅱ比模型Ⅰ位移少45%以上；保護(hù)層開裂但裂縫未貫通前，模型Ⅱ比模型Ⅰ位移少20%~45%；直至裂縫貫通模型Ⅱ比模型Ⅰ位移少9%。由于其底部縱筋加密，致使墩頂位移極值自始至終一直小于一般配筋模型。以上表明底部塑性鉸區(qū)縱筋加密能減小墩頂位移，更能保證在地震作用下其上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，能避免由于上端位移過大使其落梁的震害。圖8~9為部分試驗位移時程曲線。

試驗表明，每個工況下，模型Ⅱ的墩頂位移極值總是小于模型Ⅰ的，整個構(gòu)件在地震作用下更有利于上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖8 峰值加速度為0.4g時的位移時程曲線

圖9 峰值加速度為0.8g時的位移時程曲線

表3 各工況下的墩頂位移極值

2.2.2 墩頂加速度極值與時程曲線

本試驗通過2個加速度計分別記錄地震荷載作用下墩頂和墩底加速度時程反應(yīng)，用以研究模型在不動地震設(shè)防烈度作用下的加速度變化規(guī)律，以此評價模型在加速度響應(yīng)方面的抗震性能，取其極值進(jìn)行研究。表4為各個峰值加速度下墩頂加速度 極值。

從表4得知，試件開裂前，模型Ⅱ的墩頂加速度都小于模型Ⅰ的；自輸入峰值加速度為0.4時，即發(fā)生開裂后，模型Ⅱ的墩頂加速度普遍大于模型Ⅰ的，傳遞到墩頂?shù)募铀俣戎翟龃?，直至達(dá)到0.8時，裂縫貫通，裂縫上下混凝土的碰撞使得加速度值呈現(xiàn)無規(guī)律性。圖10~圖11為部分試驗加速度時程曲線。

表4 各工況下的墩頂加速度極值

圖10 峰值加速度為0.4g時的加速度時程曲線

圖11 峰值加速度為0.8g時的加速度時程曲線

在小震狀態(tài)下，模型Ⅱ加速度一直小于模型Ⅰ的；大震作用下，模型Ⅱ裂縫上部的墩高小于模型Ⅱ的，連接裂縫上下的鋼筋更多，發(fā)揮更大的作用，傳遞到上部的加速度值比模型Ⅰ大。

3 結(jié)論

1) 通過振動臺試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過縱筋加密的模型裂縫發(fā)生位置上移，墩底與基礎(chǔ)連接完好，震后若要實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，無需考慮墩底與基礎(chǔ)的錨固，可節(jié)約修復(fù)時間與成本。

2) 經(jīng)過塑性鉸區(qū)縱筋局部加密的模型位移極值小于一般配筋模型，試驗表明，保護(hù)層開裂前少45%以上；裂縫貫通全截面前少20%以上；全截面開裂后少9%，更能保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定。

3) 裂縫發(fā)生前，模型Ⅱ墩頂加速度小于模型Ⅰ的；裂縫發(fā)生后，模型Ⅱ的墩頂加速度大于模型 Ⅰ的。

4) 通過振動臺試驗，驗證了少筋混凝土重力式橋墩塑性鉸區(qū)局部加密設(shè)計思路的合理性，抗震效果提升的同時，鋼筋用量少，更為經(jīng)濟(jì)。

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Shaking table test of reinforced concrete pier with longitudinal reinforcement encrypt in plastic hinge area

LI Jiawen, DING Mingbo, LU Jinhua, WANG Hailei, LI Chuanxi, LIU Zhengnan

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 200240, China)

In order to explore the rationality of the design concept of reinforced concrete pier with longitudinal reinforcement in plastic hinge area of gravity concrete piers with low reinforced concrete, in this paper, a concrete gravity rectangular pier reinforced with 0.3% was designed according to the scale ratio of the prototype pier, and a comparative model of local longitudinal reinforcement in the plastic hinge area of the pier bottom was designed based on the scaled model. The shaking table test was carried out by the wave simulation earthquake using El-Centro, the failure mode of the local longitudinal reinforcement bridge pier in the general reinforcement and plastic hinge area is compared, and the displacement and acceleration time-history reaction of two contrast models are tested. The seismic behavior of the pier after the longitudinal reinforcement is encrypt in plastic hinge area is compared. The results show that the piers with longitudinal reinforcement in the plastic hinge area have good seismic performance, and the rationality of this scheme is explained.

concrete with low longitudinal reinforcement ratio; gravity type pier; local reinforcement encryption; experiment on shaking table; damage characteristic

U442.55；U448.217

A

1672 ? 7029(2019)07?1728 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.017

2018?10?15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51768036)

丁明波(1975?)，男，山東日照人，副教授，博士，從事橋梁工程、防災(zāi)減災(zāi)工程、橋梁抗震及加固研究；E?mail：447897524@qq.com

(編輯 陽麗霞)