新型鋼筋網(wǎng)格加固鐵路重力式橋墩擬靜力試驗(yàn)研究

董旭，丁明波，劉正楠，魯錦華，穆江飛

新型鋼筋網(wǎng)格加固鐵路重力式橋墩擬靜力試驗(yàn)研究

董旭，丁明波，劉正楠，魯錦華，穆江飛

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

為探究鋼筋網(wǎng)格加固鐵路重力式橋墩的抗震性能，以鐵路重力式圓端形橋墩為原型，采用1:8的比例尺制作2個(gè)配筋率為0.2%的橋墩模型，對(duì)其中一個(gè)模型的墩底薄弱區(qū)進(jìn)行植筋加固，然后對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，分析對(duì)比2個(gè)橋墩模型在加固前后的滯回曲線、骨架曲線和耗能能力等性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，橋墩模型經(jīng)過鋼筋網(wǎng)格加固后，模型的強(qiáng)度、承載能力、耗能能力和延性有明顯的提高，說明鋼筋網(wǎng)格加固鐵路重力式橋墩方案合理可行。

少筋混凝土；重力式橋墩；擬靜力試驗(yàn)；鋼筋網(wǎng)格加固

高速鐵路在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位，鐵路線的暢通關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略安全，橋梁作為生命線工程之一，一旦遭遇地震而破壞，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。我國(guó)又是一個(gè)地震活躍且多發(fā)的國(guó)家，對(duì)已經(jīng)建成特別是建成時(shí)間比較久遠(yuǎn)已不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁進(jìn)行加固十分必要。目前，對(duì)于已建成的鐵路重力式橋墩的加固，主要采用外包鋼板、外包混凝土、外包碳纖維布等加固方法。陳興沖等[1?3]通過擬靜力試驗(yàn)研究，得到加固后橋墩的承載力提高明顯，破壞區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移等結(jié)論；范增昱[4]用外包混凝土對(duì)橋墩進(jìn)行加固，得到了承載力提高和耗能增加的結(jié)論；張鵬 翔[5]用外包鋼板對(duì)橋墩墩底薄弱區(qū)加固，同樣也得到了承載能力和耗能提高的結(jié)論；吳剛[6]以蘭州東崗立交主線橋墩為原型，用CFRP對(duì)橋墩進(jìn)行加固后得到了強(qiáng)度和承載力提高的結(jié)論。針對(duì)傳統(tǒng)加固方法僅側(cè)重于強(qiáng)度的提高，延性耗能一般很難得到發(fā)揮[7-10]，本文提出一種在橋墩墩底薄弱區(qū)植入一層鋼筋網(wǎng)格，使其兼顧強(qiáng)度和延性耗能的加固方法。以配筋率為0.2%的鐵路重力式橋墩進(jìn)行研究，通過擬靜力試驗(yàn)探究鋼筋網(wǎng)格加固的效果。加固區(qū)域的高度由等效塑性鉸區(qū)的長(zhǎng)度確定[11-13]，參考中國(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02?01?2008)中對(duì)應(yīng)的公式7.4.3-3：p=2/3=167 mm，同時(shí)為確保破壞區(qū)域不上移，本試驗(yàn)取偏保守值300 mm；根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367—2013)中15.2.3公式s=0.2spty/bd=106.7 mm及實(shí)際施工條件取保守植筋深度 110 mm。植入在承臺(tái)的豎向鋼筋和植入在墩身的水平鋼筋以及聯(lián)系豎向和水平鋼筋的橫向鋼筋焊接形成鋼筋網(wǎng)格。根據(jù)計(jì)算的加固高度及植筋深度及保證實(shí)際施工的便利性，擬定加固的水平鋼筋間距為100 mm，橫橋向和順橋向加固豎向鋼筋間距為133 mm和145 mm，豎向鋼筋距橋墩20 mm。為保證鋼筋網(wǎng)格的耐久性，對(duì)鋼筋網(wǎng)格對(duì)防銹處理。鉆孔、植筋及焊接技術(shù)在實(shí)際工程中都是比較成熟的技術(shù)，保證了其在實(shí)際工程中的可行性。網(wǎng)格加固的布置圖如圖1所示。

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1 試驗(yàn)概述

為了增強(qiáng)試驗(yàn)的對(duì)比性，試件依據(jù)高速鐵路16 m簡(jiǎn)支橋梁重力式橋墩通用圖設(shè)計(jì)，采用1:8的比例尺，共設(shè)計(jì)2個(gè)配筋率為0.2%的模型試件，編號(hào)依次為D1和D2，其中D1是未加固試件，D2是加固試件。2個(gè)模型的尺寸和配筋率完全相同。

表1 模型設(shè)計(jì)各參數(shù)的相似系數(shù)

通過相似系數(shù)，確定墩身模型尺寸為360 mm×250 mm×1 250 mm，縱筋鋼筋采用直徑為8 mm的HRB335帶肋鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm的HPB300光圓鋼筋：承臺(tái)尺寸為800 mm×700 mm×500 mm，鋼筋采用φ16螺紋鋼。混凝土標(biāo)號(hào)為C30。試件D1及D2示意圖如圖2和圖3所示。

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試驗(yàn)采用伺服液壓作動(dòng)器施加水平推力。試件的底座通過4根直徑為32 mm的精軋螺紋桿固定在試驗(yàn)室的地面上，確保在試驗(yàn)過程中底座不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)；根據(jù)相似比，確定墩頂配重為51 kN。

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試驗(yàn)荷載的施加采用力?位移的混合控制制度。試件未開裂時(shí)采用力控制，開裂后采用位移控制，從5 mm開始逐級(jí)增加，15 mm之前，增幅為2 mm；15 mm之后，增幅為5 mm，每級(jí)荷載循環(huán)3次。當(dāng)水平荷載承載力下降到峰值荷載的85%以下或者縱向鋼筋被拉斷時(shí)，認(rèn)為試件達(dá)到極限破壞狀態(tài)，停止加載并結(jié)束試驗(yàn)。

(a) 試驗(yàn)加載俯視圖；(b) 試驗(yàn)加載示意圖

圖5 加載制度圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件擬靜力試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.1 試件D1試驗(yàn)現(xiàn)象

試件D1在水平推力達(dá)到±14 kN時(shí)，試件墩身底部東南角和北側(cè)出現(xiàn)微裂縫，加載方式改為位移控制；墩頂水平位移達(dá)到±5 mm時(shí)，試件墩底出現(xiàn)長(zhǎng)裂縫；墩頂水平位移達(dá)到9 mm時(shí)，試件墩身底部南側(cè)裂縫貫通；墩頂水平位移達(dá)到25 mm時(shí)，試件墩身北側(cè)、南側(cè)和東北側(cè)22~23 cm處出現(xiàn)裂縫，墩底混凝土出現(xiàn)輕微剝落；當(dāng)墩頂水平位移達(dá)到40 mm時(shí)，試件墩身南側(cè)一根縱向鋼筋斷裂，墩底西北側(cè)混凝土大塊剝落；當(dāng)墩頂水平位移達(dá)到45 mm時(shí)，試件北側(cè)一根縱向鋼筋斷裂，墩底混凝土剝落嚴(yán)重，試驗(yàn)結(jié)束。試件D1模型裂縫現(xiàn)象如圖6 所示。

2.1.2 試件D2試驗(yàn)現(xiàn)象

試件D2在墩頂水平推力達(dá)到±18 kN時(shí)，墩身底部南側(cè)出現(xiàn)微裂縫，加載方式改為位移控制；當(dāng)試件墩頂位移達(dá)到±5 mm時(shí)，試件墩身5 cm高處出現(xiàn)微裂縫；當(dāng)墩頂水平位移達(dá)到±15 mm時(shí)，試件墩身30 cm左右處出現(xiàn)裂縫；當(dāng)水平位移達(dá)到±20 mm時(shí)，試件墩身45，34和25 cm處出現(xiàn)裂縫；當(dāng)墩頂水平位移達(dá)到±35 mm時(shí)，墩頂混凝土輕微剝落；當(dāng)墩頂水平位移達(dá)到40 mm和45 mm時(shí)，墩身混凝土繼續(xù)剝落，裂縫張開明顯；當(dāng)墩頂水平位移達(dá)到55 mm時(shí)，D2試件模型墩身北側(cè)一根縱向鋼筋斷裂，承載能力急劇下降，試驗(yàn)結(jié)束。試件D2模型裂縫現(xiàn)象如圖7所示。

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2.2 滯回曲線

試件D1和試件D2的滯回曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，當(dāng)試件墩頂位移幅值較小、試件未開裂前，試件D1和D2的滯回曲線基本上呈直線型，剛度基本沒有退化，構(gòu)件的耗能比較小，試件基本處在彈性階段；隨著變形逐漸增大，混凝土表面的裂縫增多，試件的損傷逐漸加重，耗能變大，滯回環(huán)的形狀從狹窄逐漸過渡成比較豐滿的梭形，每循環(huán)卸載時(shí)出現(xiàn)了殘余位移，但是較小，試件進(jìn)入彈塑性階段；隨著試件墩頂位移的繼續(xù)增大，滯回環(huán)的面積增大，耗能增大，殘余位移變大，試件進(jìn)入屈服階段；在相同位移幅值下，第2和第3次循環(huán)與第1次循環(huán)相比，試件的剛度和強(qiáng)度出現(xiàn)退化；當(dāng)縱向鋼筋斷裂后，試件的強(qiáng)度和承載能力退化十分明顯。

圖8 試件D1滯回曲線

圖9 試件D2滯回曲線

從圖10可以看出，加固后的D2試件的滯回曲線比未加固的D1試件的滯回曲線要飽滿，面積要大，在同等位移條件下，D2試件的承載力比D1的要高，表明經(jīng)過鋼筋網(wǎng)格加固的D2試件要比未加固的D1試件的變形能力、抗震耗能能力要好。

圖10 試件D1和試件D2滯回曲線對(duì)比

圖11 試件D1骨架曲線

2.3 骨架曲線

從圖11和圖12可以看出，試件D1和D2在荷載加載初期，其骨架曲線基本上處于直線，說明試件處于彈性階段；隨著荷載的逐漸增加，試件D1和D2逐漸呈現(xiàn)出彈塑性的變形特征，骨架曲線的斜率降低，但試件的剛度退化不明顯；荷載和循環(huán)繼續(xù)增加，試件D1和D2逐漸進(jìn)入屈服階段，變形速率增大，骨架曲線斜率趨于零，試件D1和D2表現(xiàn)出明顯的剛度退化現(xiàn)象；最后試件D1和D2達(dá)到最大承載力狀態(tài)，承載力衰減，試件達(dá)到破壞狀態(tài)。

圖12 試件D2骨架曲線

從圖13可以看出，鋼筋網(wǎng)格加固試件D2的荷載峰值比未加固試件D1的荷載峰值有了很大程度的提高，而且試件D2的最終破壞位移比試件D1的也要大很多，這表明，試件經(jīng)過鋼筋網(wǎng)格加固后，具有良好的承載能力和延性。

圖13 試件D1和試件D2骨架曲線對(duì)比

2.4 耗能能力

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJ101—2015中的相關(guān)規(guī)定，試件的耗能能力可以采用試件的力?位移滯回曲線所包圍的面積來衡量。能量耗散系數(shù)可以采用力?位移滯回曲線中各面積的比值，如圖14所示，表達(dá)式為：

當(dāng)試件開裂后，尤其是試件進(jìn)入屈服階段后，試件進(jìn)入非線性階段，試件的力?位移曲線的面積增大明顯，而且耗能能力明顯增大。本文取試件破壞前的最后一個(gè)完整的滯回環(huán)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見表2所示。

表2 試件的能量耗散系數(shù)

從表2中可以看出，加固試件D2的耗能系數(shù)和等效黏滯阻尼比要優(yōu)于未加固試件D1。

2.5 延性系數(shù)

延性是指結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件從屈服開始到最大承載力以后，其承載能力卻沒有明顯下降的變形能力。延性在抗震設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的指標(biāo)。通常用延性系數(shù)來表示，即結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的極限位移與屈服位移的比值；本文中的屈服位移的求法有能量法、PARK法和幾何作圖法。結(jié)果見表3。

從表3可以看出，鋼筋網(wǎng)格加固試件D2比未加固試件D1的延性系數(shù)要大，說明經(jīng)過鋼筋網(wǎng)格加固后，試件的延性得到了提高。

表3 試件延性系數(shù)

3 結(jié)論

1) 通過擬靜力試驗(yàn)，對(duì)比了未加固試件和鋼筋網(wǎng)格加固試件，發(fā)現(xiàn)加固試件的最大承載力、最大位移顯著優(yōu)于未加固的原始橋墩模型。

2) 通過對(duì)比未加固試件和加固試件的加固滯回曲線、骨架曲線和耗能系數(shù)，試件經(jīng)過加固后，其強(qiáng)度、承載力和耗能能力得到了顯著的提升，達(dá)到了加固的預(yù)期目標(biāo)。

3) 經(jīng)過鋼筋網(wǎng)格加固的橋墩，其延性比原始橋墩提高了18.46%，達(dá)到了試驗(yàn)最初所設(shè)想的效果。

4) 由試驗(yàn)過程及破壞特點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果可得，在橋墩開裂前，鋼筋網(wǎng)格使橋墩強(qiáng)度得到了提高；開裂后植入橋墩的橫向鋼筋減弱了鋼筋網(wǎng)格的縱向受力，使破壞面依舊在墩底區(qū)域，達(dá)到了在大震下耗能的目的。

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Quasi-static test study on railway gravity pier strengthened with steel mesh

DONG Xu, DING Mingbo, LIU Zhengnan, LU Jinhua, MU Jiangfei

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to explore the seismic performance of railway gravity piers strengthened with steel mesh, the railway gravity type round-end bridge piers were used as prototypes, and two pier models with reinforcement ratio of 0.2% were made on the scale of 1:8. The weak area of the bottom of one model is strengthened by planting reinforcing bars. Then, the quasi-static tests of the two models are carried out to analyze and compare the hysteretic loop curve, skeleton curve and energy dissipation capacity of the two pier models before and after reinforcement. The test results show that the strength, bearing capacity, energy dissipation capacity and ductility of the pier model have been significantly improved after reinforcement with steel mesh, which also shows the rationality of the reinforcement scheme for railway gravity pier.

rare-reinforcement concrete; gravity type pier; quasi-static test; strengthened with steel mesh

U442.55；U448.217

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0908 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190596

2019?07?02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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 涂鵬)