墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋鐵路重力式橋墩抗震性能研究

魯錦華，陳興沖，丁明波，馬華軍，張熙胤

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

我國鐵路重力式橋墩的配筋率普遍較低，主要是由于其截面尺寸大，且僅配置護面鋼筋?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)配筋率較低的鐵路重力式橋墩破壞時呈現(xiàn)出脆性破壞的特征。鞠彥忠等［1-2］對配筋率為0.1%和0.2%的鐵路重力式橋墩進行的試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著配筋率的增加，橋墩的破壞狀態(tài)從脆性逐步向延性過渡。蔣麗忠等［3］和趙冠遠等［4］的研究還發(fā)現(xiàn)，低配筋率高速鐵路重力式橋墩的位移延性系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定的限值。作者在研究配筋率對鐵路重力式橋墩抗震性能的影響時發(fā)現(xiàn)，采用光圓鋼筋橋墩的極限位移明顯比采用螺紋鋼筋橋墩的大［5］，其原因是光圓鋼筋與混凝土間的機械咬合力小，在循環(huán)荷載作用下鋼筋與混凝土間的黏結(jié)滑移位移較大，鋼筋的總伸長量相比于螺紋鋼筋有明顯的增加，導(dǎo)致了橋墩產(chǎn)生較大的位移且鋼筋不發(fā)生斷裂。為改善低配筋鐵路重力式橋墩的延性抗震性能，本文提出了在墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋的設(shè)計方案，以增大鋼筋的伸長量提高橋墩的極限位移。

目前對于無黏結(jié)鋼筋的使用主要集中在體外預(yù)應(yīng)力加固［6-7］、節(jié)段拼裝橋墩［8-9］和搖擺自復(fù)位橋墩［10-12］中。另外，Pandey 等［13］研究了建筑中鋼筋混凝土柱設(shè)置無黏結(jié)鋼筋對其抗震性能的影響。但是低配筋率鐵路重力式橋墩的破壞特征與鋼筋混凝土柱有著本質(zhì)的區(qū)別，二者在設(shè)置無黏結(jié)鋼筋后對其抗震性能的影響是否一致，在墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋對低配筋鐵路重力式橋墩的抗震性能有何影響，目前均尚無研究。

本文設(shè)計4 個模型橋墩，通過擬靜力試驗，研究墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋低配筋率鐵路重力式橋墩的抗震性能。

1 模型試驗概況

1.1 試件設(shè)計

為了研究墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋對低配筋鐵路重力式橋墩抗震性能的影響，設(shè)計了M1，M2，M3和M4 共4 個模型橋墩，墩高125 cm，截面長和寬分別為36 和25 cm，縱向鋼筋直徑8 mm，箍筋間距10.3 cm，箍筋直徑6 mm，M1 和M2 分別為配筋率0.2%和0.3%的縱向鋼筋完全黏結(jié)橋墩（簡稱完全黏結(jié)橋墩）；M3 和M4 分別為配筋率0.2%和0.3%、墩底17 cm 范圍內(nèi)縱向鋼筋與混凝土無黏結(jié)的橋墩（簡稱無黏結(jié)橋墩），縱向鋼筋與混凝土無黏結(jié)段用PVC 管包裹，用環(huán)氧樹脂膠密封。混凝土為C30，軸壓比均為6.0%。模型橋墩構(gòu)造和鋼筋布置如圖1所示，試驗中實際加工的橋墩鋼筋骨架如圖2所示。

圖1 4個模型橋墩構(gòu)造和鋼筋布置（單位：cm）

圖2 試驗中實際加工的橋墩鋼筋骨架

1.2 加載及測量裝置

試驗加載通過液壓千斤頂在墩頂施加水平往復(fù)荷載，豎向荷載通過反力梁和2 根精軋螺紋鋼進行施加。加載過程中墩頂?shù)乃胶奢d和位移通過計算機控制系統(tǒng)記錄，試驗加載裝置如圖3所示，現(xiàn)場加載裝置如圖4所示。

圖3 試驗加載裝置

圖4 現(xiàn)場試驗加載裝置

1.3 加載制度

試驗加載制度按照J(rèn)GJ/T 101—2015《建筑抗震試驗方法規(guī)程》的規(guī)定進行設(shè)定，選用位移加載控制制度。從1 mm 開始逐級遞增，15 mm 之前，增幅為2 mm，15 mm 之后，增幅為5 mm，每級加載3次，直到橋墩達到極限破壞狀態(tài)。

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

橋墩的最終破壞狀態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出：M1 橋墩破壞時出現(xiàn)2 條裂縫，墩底1 條裂縫，在距離墩底20 cm 處出現(xiàn)第2 條裂縫，墩頂位移加載到35～40 mm 時鋼筋拉斷，且混凝土未出現(xiàn)明顯的壓碎；M2 橋墩破壞時出現(xiàn)3 條裂縫，墩底1 條裂縫，在距離墩底25 和39 cm 處分別出現(xiàn)第2 條和第3 條裂縫，墩頂位移加載到40～45 mm 時鋼筋拉斷，混凝土未出現(xiàn)明顯的壓碎；完全黏結(jié)橋墩的破壞為墩身出現(xiàn)多條裂縫，且隨著配筋率的增加，橋墩的裂縫不斷增多，橋墩的破壞區(qū)域不斷增大；無黏結(jié)橋墩M3和M4破壞時均僅在墩底產(chǎn)生1條裂縫，其余墩身均未出現(xiàn)裂縫，墩底裂縫貫通后，墩身與基礎(chǔ)之間僅通過縱向鋼筋連接，加載過程中表現(xiàn)出了自復(fù)位橋墩的特性。

圖5 試件最終破壞狀態(tài)

可見，墩底無黏結(jié)鋼筋的設(shè)置改變了橋墩的破壞特征，僅在墩底形成1條貫通裂縫，區(qū)別于鋼筋完全黏結(jié)橋墩墩身出現(xiàn)多條裂縫的破壞特征。

2.2 試驗結(jié)果

試驗測得的墩頂水平力與位移的滯回曲線如圖6所示。取滯回曲線每個循環(huán)的峰值點，得到模型橋墩的骨架曲線，不同配筋率下完全黏結(jié)橋墩和無黏結(jié)鋼筋橋墩骨架曲線如圖7所示。

圖6 橋墩滯回曲線

圖7 橋墩骨架曲線

由圖6可以看出：配筋率為0.2%的橋墩墩底鋼筋是否完全黏結(jié)鋼筋對滯回曲線的形狀影響較小，當(dāng)配筋率達到0.3%時，無黏結(jié)橋墩的滯回曲線比完全黏結(jié)橋墩的“捏縮”效應(yīng)明顯。隨著配筋率的增大，墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋會增加橋墩的“捏縮”效應(yīng)。

從圖7可以看出：相同配筋率下無黏結(jié)橋墩比完全黏結(jié)橋墩的極限位移有顯著的提高；加載初期（墩頂位移小于15 mm），相同加載位移作用下，墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋對橋墩的承載能力影響較小，主要是由于加載初期，墩底變形較小，相應(yīng)的鋼筋變形較??；隨著加載位移的增大，墩底裂縫寬度增大，主要受力部位鋼筋產(chǎn)生較大的變形，無黏結(jié)橋墩的承載力與完全黏結(jié)橋墩出現(xiàn)差別，比完全黏結(jié)橋墩的承載力略低，降低值在5%以內(nèi)，說明墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋對橋墩的承載能力影響較小。另外，無黏結(jié)橋墩的承載力隨著加載位移的增大下降非常緩慢，橋墩在較大的加載位移下，承載力也未見明顯的下降，說明墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋在有效增加極限位移的同時可確保橋墩的承載能力。

3 橋墩抗震性能

3.1 剛度退化

橋墩的剛度退化主要是由混凝土開裂及鋼筋屈服造成的。從滯回曲線中可見，隨著加載位移的增大橋墩的剛度在不斷地減小。為了能直觀地反映橋墩剛度在荷載作用下的變化情況，引入割線剛度的概念，具體計算式［14］為

式中：±Fi為第i次加載循環(huán)荷載下的正、反最大荷載值；±Δi為峰值荷載所對應(yīng)的位移。

根據(jù)圖7，采用式（1）計算得到4個模型橋墩的剛度退化曲線如圖8所示。

圖8 橋墩剛度退化曲線

由剛度退化曲線可以看出：無黏結(jié)橋墩的剛度退化趨勢與完全黏結(jié)橋墩的一致，且相同加載位移下無黏結(jié)橋墩的剛度比完全黏結(jié)橋墩的剛度略低，最大差為10%。

3.2 位移延性系數(shù)

按鋼筋首次屈服計算橋墩的屈服位移，即

其中，

式中：Δy為橋墩屈服位移；φy為橋墩屈服曲率；h為橋墩有效高度；εsmax為縱向鋼筋的屈服應(yīng)變；d0為截面的有效高度；xc為中性軸距離混凝土受壓側(cè)邊緣的距離。

橋墩首次屈服位移延性系數(shù)定義為極限位移與首次屈服位移的比值。依據(jù)GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》考慮2.5 倍的安全系數(shù)，可得到橋墩的容許位移延性系數(shù)。極限位移取鋼筋拉斷位移或者鋼筋未拉斷時的加載最大位移。容許位移延性系數(shù)的計算結(jié)果見表1。

表1 容許位移延性系數(shù)

由表1可以看出：相同配筋率下無黏結(jié)橋墩的極限位移比完全黏結(jié)橋墩有明顯增大；墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋可有效提高橋墩的容許位移延性系數(shù)，配筋率為0.2%時無黏結(jié)橋墩的容許位移延性系數(shù)比完全黏結(jié)橋墩提高了60%，配筋率為0.3%時提高了40%。可見，配筋率越低，容許位移延性系數(shù)提高幅度越大，說明墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋可有效改善低配筋橋墩的延性性能。

3.3 耗能能力

耗能能力是指結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生塑性變形而耗散能量的能力，是評價結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一。工程抗震設(shè)計中一般采用累積耗能定量評定橋墩耗能能力的強弱。計算得到各模型橋墩的累積耗能如圖9所示。

圖9 橋墩累積耗能

從圖9可以看出：當(dāng)加載位移小于15 mm 時，相同配筋率下是否完全黏結(jié)橋墩的累積耗能曲線基本重合，說明小位移作用下，墩底鋼筋是否黏結(jié)對耗能影響較小，原因是墩頂加載位移較小時，墩底鋼筋總變形較??；隨著加載位移的增大，2 類橋墩的累積耗能曲線開始分離，相同位移下無黏結(jié)橋墩的累積耗能比完全黏結(jié)橋墩低，且隨著配筋率的增加，差值有增大趨勢，最大相差10%

4 結(jié) 論

（1）墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋改變了橋墩的破壞特征，無黏結(jié)橋墩僅在墩底形成1條裂縫，墩身均未出現(xiàn)裂縫，區(qū)別于完全黏結(jié)橋墩破壞時墩身出現(xiàn)多條裂縫的破壞特征。

（2）墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋在保證承載能力基本不變的情況下，極限位移增大，有效改善橋墩的延性性能；與完全黏結(jié)橋墩相比，無黏結(jié)鋼筋橋墩的滯回曲線形狀“捏縮”效應(yīng)明顯，且配筋率越大，“捏縮”效應(yīng)越明顯。

（3）鐵路重力式橋墩在墩底設(shè)置無黏結(jié)鋼筋可以改善橋墩的抗震性能。