配置HRB500钢筋的混凝土桥墩承载力与耗能性能

配置HRB500钢筋的混凝土桥墩承载力与耗能性能

戎贤1,2，宋鹏1，张健新1，刘平1,2

(1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401)

摘要：对4根配置HRB500钢筋的混凝土桥墩进行水平低周反复荷载下的抗震性能试验，分析其在低周往复荷载作用下的破坏特征、滞回曲线、承载力、位移及延性、耗能能力，研究了钢筋强度、轴压比、箍筋间距对桥墩抗震性能的影响规律。研究结果表明：轴压比的增加，使试件的承载能力提高了21.1%，但使试件的延性降低了44.6%。配箍率的增加，对试件承载能力影响不大，而钢筋强度的增加，使试件的承载能力提高了31.7%，而且使试件耗能能力增强了25.9%。

关键词：HRB500钢筋；桥墩；轴压比；箍筋间距；抗震性能

基金项目：天津市自然科学基金项目(12JCYBJC14100);河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2010123);河北省交通运输厅科技计划基金项目(Y-2011052，Y-2012041)

作者简介：戎贤(1965-),男,河北定州人,教授,博士,博士生导师,主要从事结构抗震方面的研究.

收稿日期：2014-05-07

文章编号：1672-6871(2015)01-0062-05

中图分类号：U443.22;U442.5

文献标志码：A

0引言

HRB500钢筋在结构工程、桥梁工程中的应用日益普遍，其具有强度高、延性好、焊接性能优、碳当量低等诸多特点[1-2]，使结构的弹、塑性变形能力以及延性抗震设计都能满足要求。国内外对柱结构的延性抗震性能进行了大量的研究,但是专门针对采用高强钢筋改善桥墩的抗震性能方面的研究却比较少。因此，在桥墩中采用高强钢筋替换纵筋和箍筋，来改善桥墩在强地震作用下承载能力以及耗能能力的研究具有十分重要的理论和工程实际意义[3-8]。为推广HRB500钢筋在实际桥梁工程中的应用，试验分析了钢筋强度、轴压比、箍筋间距对桥墩抗震性能的影响规律。

1试验概况

1.1　试验方案设计

本试验设计了4根钢筋混凝土桥墩试件，试件均由墩身和基座两部分组成，具体试件参数见表1。试件混凝土保护层厚度为20 mm，具体力学性能见表2。纵筋采用直径16 mm钢筋，箍筋采用直径10 mm钢筋，墩头采用钢筋加密，具体力学性能见表3，试件几何尺寸及配筋见图1。

表1　试件设计参数

表2　混凝土力学性能指标

表3　钢筋力学性能指标

图1　试件尺寸及配筋(mm)(图中 s代指箍筋间距)

1.2　试验加载方案

试件通过电液伺服加载装置进行低周反复加载，取用荷载-位移混合控制，竖向采用液压千斤顶施加190 kN和380 kN两种荷载。加载首先采用荷载控制，通过控制施加荷载的大小来进行每级加载，每个荷载控制等级循环1次；在荷载循环加载达到极限荷载时，采用位移控制，以此时的位移值作为屈服位移然后分级加载，每级循环3次，直到所对应的荷载值下降到极限荷载85%时，停止加载。具体加载装置如图2所示。

图2　试验装置简图

2破坏特征

4根试件均为弯曲剪切破坏，试件破坏形态如图3所示。S1试件在加载初期荷载较小时，距墩底18 cm处出现水平裂纹，试件开裂；随着荷载的增加，原有裂缝增加，距墩底37 cm处出现新的水平裂缝且墩柱一侧出现竖向以及斜向裂缝；荷载继续增加，斜向裂缝扩展交叉，直至钢筋屈服混凝土被压碎，试件被破坏。S2试件在加载初期，距墩底2 cm、21 cm处出现水平裂纹，试件开裂；随着荷载的增加，距柱底38 cm出现新的水平裂缝，原有裂缝扩展，一侧出现两条平行的斜向裂缝，另一侧出现竖向裂缝，最大裂缝宽度达0.50 mm；荷载继续增加，原有斜向裂缝扩展且两侧出现新的斜向裂缝，斜向裂缝形成十字交叉；继续加载，钢筋屈服混凝土被压碎，试件破坏。S3试件在加载初期，距墩底23 cm处出现水平裂纹，试件开裂；随着荷载的增加，距柱底35 cm、45 cm处出现新的水平裂缝，原有裂缝扩展，侧面出现多条斜向裂缝，最大裂缝宽度达0.63 mm；荷载继续增加，柱角出现竖向裂缝，柱角混凝土开裂剥落；继续加载，钢筋屈服混凝土被压碎，试件破坏。S4试件在加载初期，距墩底19 cm处出现水平裂纹，试件开裂；随着荷载的增加，距柱底5 cm、31 cm处出现新的裂缝，原有裂缝扩展，侧面出现多条斜向裂缝，最大裂缝宽度达0.43 mm；荷载继续增加，受压侧混凝土大面积脱落，水平位移突然增加，剪切斜裂缝贯穿整个侧面，柱角处混凝土被挤压脱落，钢筋屈服混凝土被压碎，试件破坏。总体来看，在加载初期，荷载较小，短小密集的弯曲水平裂缝出现在桥墩下部受拉区，反向加载时，裂缝呈对称分布。随着荷载的增加，墩底弯曲裂缝数量逐渐增多，并分别向墩身侧面开展，原有裂缝也进一步增大，并且侧面开始出现斜向裂缝。荷载继续增加，原有斜向裂缝逐渐扩展，多条新的斜向裂缝开始出现，墩身正反向斜裂缝较为规则地交叉开展。当钢筋屈服时，混凝土出现剥落，随着位移逐渐增大，墩底混凝土被压碎，试件承载力明显下降，试件破坏。

图3　试件破坏形态

高强钢筋的配置，配箍率的增加在一定程度上推迟了裂缝的产生及开展，使破坏特征得到了完善，轴压比的增大虽然也可以明显推迟试件裂缝的出现与开展，提高试件的承载能力，但会使试件的破坏情况更加严重。

3试验结果分析

3.1　滞回特性

滞回曲线是由多次循环的一系列滞回环形成的，综合反映了试件的承载力、耗能能力等整体性的抗震能力[9]。滞回曲线所包围的面积反映了试件耗散能量的能力，因此，试件的滞回曲线面积越大，耗能越强，抗震越好。试件的滞回曲线如图4所示。

图4　滞回曲线

各个试件的滞回环的形状由开始的梭形逐渐发展为弓形。在加载初期，随荷载的不断增加，加载曲线的斜率逐渐减小。数次往复加载后，曲线上出现拐点，形成了中间捏拢现象。在卸载初期，滞回曲线较为陡峭，随着荷载的不断减小，曲线趋于平缓。当试件屈服后，随着荷载的不断增加及循环次数的增加，试件的变形也在逐渐增加；当荷载卸至零后，结构出现不能恢复的残余变形。对比S1试件和S2试件，S2试件滞回曲线更加饱满，承载力显著增大，试件耗能能力更强，说明钢筋强度的增加提高了试件的抗震能力。对比S2试件和S3试件，S2试件承载能力没有明显增大，但耗能能力增强，说明增大配箍率可以改善构件抗震性能，但对试件承载能力影响不大。对比S3试件和S4试件，S4试件承载能力提高明显，但S3试件滞回曲线更加饱满，说明增大试件轴压比可以提高试件承载能力，但是对耗能能力提高不利。

3.2　承载力位移以及延性

表4　试件承载力、位移及延性

通过试件承载力位移延性因数的对比发现：4根试件的延性因数平均值为3.61～3.93，说明4根试件延性较好，配置高强钢筋的S2试件的极限承载力比S1试件提高了31.7%，极限位移增大了25.9%；配箍率较大的S2试件极限承载力比S3试件有所提高，极限位移也增大了26.1%；轴压比较大的S4试件的极限承载力比S3试件提高了21.1%，但极限位移却减小了44.6%，说明高强钢筋的配置可以明显提高构件承载能力、增大试件位移延性、增大轴压比，可以提高构件承载能力，但对试件位移延性不利。

3.3　耗能能力

结构构件吸收和耗散地震荷载下所产生能量的能力称为耗能能力,它的强弱是对结构构件抗震性能优劣进行评价的主要标准之一。试验中常采用等效黏滞阻尼因数he来衡量试件的耗能能力，he越大，滞回环越饱满，试件耗能能力越强[12]。试件在主要工况下的黏滞阻尼因数如表5所示。

表5　各原型试件主要工况下的黏滞阻尼因数

通过试件黏滞阻尼因数对比发现:高强钢筋的配置和配箍率的增大对改善试件的耗能能力效果不明显，但轴压比的增大却对试件耗能不利。

4结论

(1)在试件中配置高强钢筋，可以使试件滞回曲线更加饱满，改善试件耗能能力，增大试件位移延性，提高试件极限承载能力，明显改善试件抗震性能。

(2)在试件中增大配箍率，可以改善试件位移延性，提高试件耗能能力，但对试件极限承载能力的提高效果不明显。

(3)增大试件的轴压比，虽然可以明显提高试件的极限承载能力，但却降低了试件的位移延性与耗能能力，对试件抗震性能的提高不利。

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