动力荷载下城市主干道高架桥结构抗震性能研究

杨尚

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

中国地震灾害频发，对房屋建筑及交通工程安全的影响很大，尤其是高空建筑和高架桥梁。为改善房屋工程、交通工程中钢筋砼结构的抗震性能，学者们提出利用改良砼、CFRP加筋等方案，如高传超等利用新型波纹侧板方钢管加固砼柱，指出新型复合材料的滞回曲线较常规钢筋砼更饱满，耗能性能更佳；何国瑞等利用数值模拟分析方法对钢管-珊瑚-砼柱展开抗震性能研究，发现其具有更好的抗震性能；贺学军等指出采用自锁碳纤维布对钢筋砼结构进行加固，能有效缓冲结构核心区纵筋的黏结滑移，改善结构的抗震耗能性能。但对于利用多重复合钢筋配置提升钢筋砼柱抗震性能的研究较少。该文依托湖南省长沙市芙蓉大道快速化改造工程，通过室内低周反复荷载试验对多芯高强钢筋砼柱展开抗震性能研究，并对不同配筋率和不同轴压比条件下砼芯柱的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化特征及能耗特征进行分析，研究配置方式对高强钢筋砼柱抗震性能的提升效果。

1 工程概况

长沙市芙蓉大道快速化改造工程见图1。根据工程现场勘察及相关资料，该项目非涉铁段桩号为K3+700—K5+000、K9+500—K16+520，长8.32 km，施工内容包括道路工程、隧道工程、桥梁工程、交通工程、排水工程、交叉工程、照明工程、景观亮化和绿化工程、涉铁保护、临时工程、部分管线迁改工程等。标段内共设置桥梁2座、632.38 m，双向六车道，桥面宽24.0 m，横断面布置形式为0.5 m防撞护栏+11.25 m机动车道+0.5 m中央隔离护栏+11.25 m机动车道+0.5 m防撞护栏。根据长沙地震局调查结果，长沙在过去50年共计发生288次大大小小的地震。受车辆荷载振动的影响，桥梁也易发生破坏。因此，研究振动荷载下桥梁的动力响应特征具有重要意义。

图1 长沙市芙蓉大道快速化改造项目

2 模型试验设计

2.1 试样制备

采用强度等级为C50的商品砼、HRB400级钢筋作为基础材料制备多芯高强钢筋砼柱试件，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》分别对砼和钢筋原材料展开基础力学性能试验，得到砼的平均立方体抗压强度为54.3 MPa。共设计4种不同高强度砼多重复合芯柱，钢筋砼柱底部截面梁尺寸为700 mm×600 mm，高1 400 mm，顶部截面尺寸为400 mm×400 mm，内芯半径为140 mm。根据相关规范，计算得到不同砼芯柱的箍筋间距、配筋率及轴压比等参数(见表1)。

表1 多芯钢筋砼柱的设计参数

2.2 试验设备与流程

试验研究对象为不同配筋率、不同轴压比下钢筋砼柱。利用MTS150液压伺服设备进行加载，该设备最大可实现2 000 kN轴向加载；利用MTS作动器对钢筋砼柱的变形进行监测，同时在试件表面及箍筋表面粘贴应变片并利用东华公司应变仪进行监测(见图2)。试验采用位移控制模式对钢筋砼柱进行分级增量振动加载，每级荷载下振荡次数为1个循环，其中第一级荷载为2 mm，每级增量为2 mm，直到总位移达到10 mm，此后将每级加载的位移差调整至10 mm并继续逐级加载。荷载超过峰值荷载点并再次达到峰值荷载的85%时停止试验，整理试验数据。

图2 试验设备

3 试验结果与分析

3.1 滞回曲线特征分析

图3为高强砼多芯柱抗震试验滞回曲线。由图3可知：在分级加载振动试验条件下，多芯钢筋砼柱的滞回曲线均表现出典型的砼柱结构滞回曲线特征，滞回曲线整体呈“梭”形，饱满度较高，无明显“捏拢”现象；钢筋砼柱具有较强的塑性变形能力，结构的低周反复荷载试验性能好，能较好地吸收地震荷载产生的能量；轴压比对砼芯柱滞回曲线特征的影响明显，高轴压比试件的承载能力更强，但其滞回环面积较小，表明高轴压比条件下多芯钢筋砼柱的承载力提高但抗震性能变差。

图3 各砼芯柱滞回曲线

3.2 骨架曲线分析

图4为不同配置方式的多芯钢筋砼构件的骨架曲线，表2 为试件特征点试验结果。由图4、表2可知：钢筋砼柱在弹性阶段后其骨架曲线呈线性，而达到钢筋的屈服点后，构件内部钢筋开始屈服，构件整体仍然持续硬化，荷载水平依旧提高；随着荷载的持续增大，构件整体达到峰值，构件端部砼开始破裂、剥落，钢筋砼构件整体承载力开始下降。随着配筋的增加，钢筋砼柱构件的承载能力与变形能力均逐渐增强，其峰值荷载与极限变形不断增大，但提升幅度较小，表明多重复合芯对钢筋砼柱的力学性能具有一定提升作用；高轴压比条件下钢筋砼柱试件的承载力明显增大，相对与同配筋率的试件其峰值荷载提高37.73%，但塑性变形能力随轴压比增大而降低，极限位移相对降低34.90%。

图4 各砼芯柱骨架曲线

表2 各砼芯柱特征点试验结果

3.3 刚度退化特征分析

图5为不同钢筋砼柱构件的刚度退化曲线。由图5可知：在加载初期，钢筋砼柱的刚度迅速下降，在振动荷载作用下，砼产生很大横向变形，钢筋砼柱表面产生剥落，构件内部产生一定程度裂隙且损伤程度不断提高。随着损伤程度的提高，构件刚度退化速率不断降低。配筋对钢筋砼柱构件的初始相对刚度产生一定影响，随着钢筋砼柱配筋率的增大，初始刚度逐渐降低；在整个试验过程中，低配筋率的多芯钢筋砼柱的刚度始终低于高配筋率的多芯钢筋砼柱。轴压比对多芯高强钢筋砼柱刚度的影响大于配筋率的影响，高轴压比试件的刚度大幅高于低轴压比试件。

图5 各砼芯柱刚度退化曲线

4 结论

(1)多芯钢筋砼柱的滞回曲线整体呈“梭”形，饱满度较高，钢筋砼柱具有较强的塑性变形能力，结构的低周反复荷载试验性能好，能较好地吸收地震荷载产生的能量。

(2)随着轴压比的增大，多芯钢筋砼柱试件的承载能力增强，抗压强度相对提高37.73%；塑性变形能力降低，极限位移相对减小34.90%；滞回曲线的滞回环面积变形减小，抗震性能降低。

(3)多芯高强钢筋砼柱的刚度随配筋率增大而增大，但增幅较小；高轴压比砼芯柱的刚度大幅高于低轴压比砼芯柱。多芯钢筋砼柱刚度随位移增大不断减小，且减小速度趋于平稳。