外包鋼板對鋼筋混凝土橋墩抗震性能影響的試驗研究

丁世聰， 韓 艷， 王江江， 黃志明， 石明珠， 張 宇

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引 言

橋墩是橋梁下部結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件。在地震荷載作用下，鋼筋混凝土橋墩柱腳往往由于受到較大的彎矩作用而發(fā)生損壞，進而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的滯回承載力不足，最終造成橋梁破壞甚至倒塌的現(xiàn)象發(fā)生。我國是地震多發(fā)國家，地震帶覆蓋區(qū)域廣，如何對橋墩進行合理的抗震設(shè)計始終是橋梁工程界廣為關(guān)注的問題。混凝土外包鋼板墩柱在承受外荷載時，鋼板受到內(nèi)置核心混凝土的支撐，同時，內(nèi)置核心混凝土又受到外包鋼板的約束作用。兩種不同材料之間相互支承，既能防止鋼板過早發(fā)生局部屈曲，又能提升柱體整體承載力，加強整體結(jié)構(gòu)的剛度，從而彌補普通鋼筋混凝土柱承載力弱、剛度退化快等缺點[1-4]。外包鋼板同時可以作為橋墩施工時的模板，非常方便。本文分別對普通鋼筋混凝土橋墩及外包鋼板混凝土橋墩進行擬靜力試驗，對比分析了兩類橋墩的抗震性能差異，以為外包鋼板橋墩在地震區(qū)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

以某一立交橋的實際橋墩為原型設(shè)計試驗用橋墩模型，該橋墩為直徑1.6 m、高6.2 m的圓形橋墩，外包2 cm厚的鋼板。受實驗室條件的限制，設(shè)計了縮尺比為1∶4的試件(SRC柱)進行模型試驗，見表1。根據(jù)相似理論，試驗用橋墩模型的有效高度取155 cm，直徑取40 cm，墩柱的材料選用原材料，即C30混凝土，采用直徑為12 mm的HRB335鋼筋作為墩柱的縱向受力主筋，采用直徑為6 mm的HPB235鋼筋作為箍筋，外包鋼板的厚度為5 mm。將墩底模擬為固定端，焊接在墩柱底面的鋼板利用螺栓與通過地錨螺栓和地基可靠連接的基礎(chǔ)鋼板相連接。橋墩模型的構(gòu)造及配筋如圖1所示。在橋墩根部20 cm范圍內(nèi)附加徑向鋼板以模擬承臺及橋墩根部周圍地基土對橋墩的約束作用。為明確外包鋼板的抗震作用，同時制作了1根相同尺寸的普通鋼筋混凝土墩柱(RC柱)，其配筋與外包鋼板混凝土墩柱完全相同。

表1 試件設(shè)計參數(shù)

圖1 試件構(gòu)造尺寸及配筋圖(單位：cm)

1.2 試驗加載

采用擬靜力試驗加載方案。在水平加載點的墩柱對側(cè)布置位移計以測量墩頂位移?？紤]到橋墩的軸壓比通常在0.1～0.3[5]，試驗時，首先通過電液伺服系統(tǒng)控制3 000 kN的豎向千斤頂在墩柱頂按軸壓比0.2(軸壓比系柱頂軸壓力值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設(shè)計值乘積的比值)逐漸施加豎向軸向荷載至359 kN，保持恒定并緊固柱底螺栓及豎向連接件螺栓；然后采用1 000 kN的水平向拉壓千斤頂在墩頂施加水平往復(fù)荷載：先以10 kN進行3次循環(huán)預(yù)加載，每次均對連接件進行緊固以使水平作動器與墩柱緊密連接，然后開始正式施加水平荷載；采用力-位移混合控制的加載方式，即試件屈服前按荷載控制，分數(shù)級加載，每級荷載循環(huán)1次；屈服后按位移控制，每級增加的位移為屈服位移的倍數(shù)，并在相同位移下往復(fù)循環(huán)3次，直到試件的水平承載力下降到最大水平荷載的85%以下或縱筋斷裂時結(jié)束試驗。試驗中的屈服位移以柱頂?shù)乃胶奢d-位移關(guān)系曲線，即P-Δ曲線出現(xiàn)明顯的拐點作為判別標準。試驗加載現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 試驗橋墩及加載裝置

2 試驗結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

SRC柱，在屈服之前表現(xiàn)出良好的彈性性能。當加載到2倍屈服位移時，南側(cè)柱腳加勁肋板與柱底鋼板連接處的焊縫出現(xiàn)開裂；在向3倍屈服位移正向加載的過程中，在加載位移為70 cm時，墩柱承載力突然下降，并伴隨有脆斷聲響，南側(cè)柱腳加勁肋板與柱底鋼板連接處的焊縫幾乎全部斷裂，墩柱猛烈傾斜，墩頂轉(zhuǎn)角的突然增大使得安裝在墩頂?shù)腖VDT位移計發(fā)生彎曲，為避免位移計發(fā)生損壞，卸載至零位移，然后反向3倍屈服位移加載至其承載力下降到最大承載力的85%后結(jié)束試驗。

RC柱，當正向加載到60 kN時，在北側(cè)墩身距離根部7 cm左右處出現(xiàn)長約9 cm的細小裂縫，反向加載到60 kN時，南側(cè)墩身距離根部5 cm左右處，出現(xiàn)約8 cm長的細微裂縫；繼續(xù)加載到100 kN的過程中，南、北兩側(cè)柱腳鋼板套箍以上75 cm范圍內(nèi)的墩身出現(xiàn)多條細小裂縫，構(gòu)件發(fā)生屈服。在3倍屈服位移循環(huán)結(jié)束時，南北側(cè)混凝土柱根部的裂縫平均寬3 mm，塑性鉸區(qū)有少量混凝土脫落；5倍屈服位移循環(huán)結(jié)束時，南北兩側(cè)混凝土柱根部的混凝土保護層大面積被壓碎、剝落，鋼筋露出，損傷區(qū)域沿墩身向上發(fā)展，墩柱水平承載力下降；6倍屈服位移循環(huán)結(jié)束時，墩柱根部塑性鉸區(qū)混凝土基本全部脫落，鋼筋外露，墩柱承載力下降至峰值承載力的85%以下，試驗結(jié)束。

圖3、圖4分別給出了2個試件的最終破壞形態(tài)，可以看出：SRC柱破壞為柱腳加勁肋板與柱底鋼板連接處的焊縫全部斷裂，在加勁肋板的柱根部墩身出現(xiàn)明顯的外鼓現(xiàn)象；而RC柱腳根部20 cm范圍內(nèi)鋼板及其加勁肋板與柱底鋼板的連接始終保持完好，塑性鉸區(qū)出現(xiàn)在柱腳鋼板以上的混凝土部分，呈明顯的彎剪破壞模式。

圖3 SRC柱最終破壞圖

圖4 RC柱最終破壞圖

2.2 滯回曲線

滯回曲線能綜合反應(yīng)墩柱在地震荷載作用下的承載力及耗能能力，2個試件的荷載-位移滯回曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，試件屈服之前都處于彈性階段，滯回曲線近似一條斜直線，滯回環(huán)面積較小，隨著水平位移的不斷增大，構(gòu)件進入塑性階段，兩類構(gòu)件滯回環(huán)面積均不斷增大，耗能能力不斷增加。兩類構(gòu)件各自屈服后，對于同一級的循環(huán)加載，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，對應(yīng)的滯回環(huán)均較初次的細、小。SRC柱的峰值荷載明顯大于RC柱的峰值荷載，表明外包鋼板能極大地提高墩柱的承載力。

圖5 荷載-位移滯回曲線

2.3 骨架曲線

骨架曲線能夠較詳細地反映試件的強度、延性等抗震性能指標。2個試件的骨架曲線對比如圖6所示。骨架曲線特征點見表2，其中屈服荷載采用Park法[6]得到，極限荷載系最大承載力下降到峰值荷載85%的荷載值[7,8]，SRC柱正向加載時由于柱腳加勁肋板與柱底鋼板連接處焊縫的突然斷裂致使正向加載結(jié)束，因而沒有得到正向極值荷載，相應(yīng)地其延性比為僅由負向加載計算的。

由圖6和表2可以看出， SRC柱和RC柱的變形皆由彈性階段、強化階段以及強度退化階段構(gòu)成；SRC柱的屈服荷載和屈服位移分別為RC柱相應(yīng)值的239.13%和132.81%，SRC柱的峰值荷載和極限荷載也均大于RC柱的相應(yīng)值；但是SRC柱的延性比小于RC柱，這是由于SRC柱的柱腳肋板焊縫發(fā)生斷裂導(dǎo)致的。

圖6 試件骨架曲線對比

表2 試件各特征點

2.4 試件的耗能性能

耗能系數(shù)能夠較好地反映試件在地震作用下的耗能能力，計算公式為[9]：

(1)

式中：λD為試件耗能系數(shù)；SABC和SCDA分別為滯回環(huán)上半部和下半部與坐標軸圍成的面積；SOBE和SODF為三角形的面積。如圖7所示。

圖7 耗能系數(shù)計算圖

根據(jù)公式(1)計算得到SRC柱和RC柱的峰值荷載滯回環(huán)耗能系數(shù)分別為0.898和1.395，可見，雖然SRC柱在屈服前剛度較大，表現(xiàn)出良好的彈性性能，但在達到峰值荷載后，由于柱腳肋板與柱底鋼板焊縫斷裂，承載力很快大幅下降，累積耗能低，而RC柱雖然承載力較SRC柱低，但其累積耗能高。

2.5 殘余位移

殘余位移是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在卸載后無法恢復(fù)的變形，這一點在抗震設(shè)計中很重要。一些國家，例如日本的橋梁設(shè)計規(guī)范要求在橋梁設(shè)計中考慮殘余位移[10]。殘余位移越小，對震后的橋梁運營越有利。SRC柱和RC柱的殘余位移與墩頂水平位移的關(guān)系如圖8所示。

圖8 殘余位移對比圖

從圖8中可以看出，當墩頂水平位移小于15 mm時，2個試件的殘余位移基本為0，表明此時試件均有良好的彈性性能；當墩頂水平位移大于15 mm時，殘余位移曲線斜率增大，鋼筋發(fā)生屈服，橋墩進入塑性階段。SRC柱在破壞之前其殘余位移一直較RC柱小，表明外包鋼板能夠有效提升鋼筋混凝土橋墩的彈性性能。

3 結(jié) 論

本文分別對外包鋼板混凝土橋墩和普通鋼筋混凝土橋墩進行了擬靜力試驗，得出以下主要結(jié)論：

(1) 普通鋼筋混凝土橋墩破壞模式為柱底塑性鉸區(qū)彎剪破壞，外包鋼板混凝土橋墩主要破壞模式為柱腳加勁肋板與柱底鋼板連接處的焊縫斷裂所致的墩柱承載力大幅降低，在施工中要注意保證鋼板的焊縫質(zhì)量。

(2) 外包鋼板能夠顯著提高鋼筋混凝土橋墩的承載力及剛度，本試驗中外包鋼板橋墩在達到最大承載力以后由于柱腳加勁肋板與柱底鋼板連接處焊縫的突然斷裂導(dǎo)致承載力突然下降，可見施工中要注意肋板焊縫質(zhì)量，對鋼板厚度的合理選取還需進一步研究。