配置HRB500鋼筋的混凝土橋墩承載力與耗能性能

配置HRB500鋼筋的混凝土橋墩承載力與耗能性能

戎賢1,2，宋鵬1，張健新1，劉平1,2

(1.河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401)

摘要：對4根配置HRB500鋼筋的混凝土橋墩進行水平低周反復荷載下的抗震性能試驗，分析其在低周往復荷載作用下的破壞特征、滯回曲線、承載力、位移及延性、耗能能力，研究了鋼筋強度、軸壓比、箍筋間距對橋墩抗震性能的影響規律。研究結果表明：軸壓比的增加，使試件的承載能力提高了21.1%，但使試件的延性降低了44.6%。配箍率的增加，對試件承載能力影響不大，而鋼筋強度的增加，使試件的承載能力提高了31.7%，而且使試件耗能能力增強了25.9%。

關鍵詞：HRB500鋼筋；橋墩；軸壓比；箍筋間距；抗震性能

基金項目：天津市自然科學基金項目(12JCYBJC14100);河北省高等學校科學技術研究重點項目(ZD2010123);河北省交通運輸廳科技計劃基金項目(Y-2011052，Y-2012041)

作者簡介：戎賢(1965-),男,河北定州人,教授,博士,博士生導師,主要從事結構抗震方面的研究.

收稿日期：2014-05-07

文章編號：1672-6871(2015)01-0062-05

中圖分類號：U443.22;U442.5

文獻標志碼：A

0引言

HRB500鋼筋在結構工程、橋梁工程中的應用日益普遍，其具有強度高、延性好、焊接性能優、碳當量低等諸多特點[1-2]，使結構的彈、塑性變形能力以及延性抗震設計都能滿足要求。國內外對柱結構的延性抗震性能進行了大量的研究,但是專門針對采用高強鋼筋改善橋墩的抗震性能方面的研究卻比較少。因此，在橋墩中采用高強鋼筋替換縱筋和箍筋，來改善橋墩在強地震作用下承載能力以及耗能能力的研究具有十分重要的理論和工程實際意義[3-8]。為推廣HRB500鋼筋在實際橋梁工程中的應用，試驗分析了鋼筋強度、軸壓比、箍筋間距對橋墩抗震性能的影響規律。

1試驗概況

1.1　試驗方案設計

本試驗設計了4根鋼筋混凝土橋墩試件，試件均由墩身和基座兩部分組成，具體試件參數見表1。試件混凝土保護層厚度為20 mm，具體力學性能見表2。縱筋采用直徑16 mm鋼筋，箍筋采用直徑10 mm鋼筋，墩頭采用鋼筋加密，具體力學性能見表3，試件幾何尺寸及配筋見圖1。

表1　試件設計參數

表2　混凝土力學性能指標

表3　鋼筋力學性能指標

圖1　試件尺寸及配筋(mm)(圖中 s代指箍筋間距)

1.2　試驗加載方案

試件通過電液伺服加載裝置進行低周反復加載，取用荷載-位移混合控制，豎向采用液壓千斤頂施加190 kN和380 kN兩種荷載。加載首先采用荷載控制，通過控制施加荷載的大小來進行每級加載，每個荷載控制等級循環1次；在荷載循環加載達到極限荷載時，采用位移控制，以此時的位移值作為屈服位移然后分級加載，每級循環3次，直到所對應的荷載值下降到極限荷載85%時，停止加載。具體加載裝置如圖2所示。

圖2　試驗裝置簡圖

2破壞特征

4根試件均為彎曲剪切破壞，試件破壞形態如圖3所示。S1試件在加載初期荷載較小時，距墩底18 cm處出現水平裂紋，試件開裂；隨著荷載的增加，原有裂縫增加，距墩底37 cm處出現新的水平裂縫且墩柱一側出現豎向以及斜向裂縫；荷載繼續增加，斜向裂縫擴展交叉，直至鋼筋屈服混凝土被壓碎，試件被破壞。S2試件在加載初期，距墩底2 cm、21 cm處出現水平裂紋，試件開裂；隨著荷載的增加，距柱底38 cm出現新的水平裂縫，原有裂縫擴展，一側出現兩條平行的斜向裂縫，另一側出現豎向裂縫，最大裂縫寬度達0.50 mm；荷載繼續增加，原有斜向裂縫擴展且兩側出現新的斜向裂縫，斜向裂縫形成十字交叉；繼續加載，鋼筋屈服混凝土被壓碎，試件破壞。S3試件在加載初期，距墩底23 cm處出現水平裂紋，試件開裂；隨著荷載的增加，距柱底35 cm、45 cm處出現新的水平裂縫，原有裂縫擴展，側面出現多條斜向裂縫，最大裂縫寬度達0.63 mm；荷載繼續增加，柱角出現豎向裂縫，柱角混凝土開裂剝落；繼續加載，鋼筋屈服混凝土被壓碎，試件破壞。S4試件在加載初期，距墩底19 cm處出現水平裂紋，試件開裂；隨著荷載的增加，距柱底5 cm、31 cm處出現新的裂縫，原有裂縫擴展，側面出現多條斜向裂縫，最大裂縫寬度達0.43 mm；荷載繼續增加，受壓側混凝土大面積脫落，水平位移突然增加，剪切斜裂縫貫穿整個側面，柱角處混凝土被擠壓脫落，鋼筋屈服混凝土被壓碎，試件破壞。總體來看，在加載初期，荷載較小，短小密集的彎曲水平裂縫出現在橋墩下部受拉區，反向加載時，裂縫呈對稱分布。隨著荷載的增加，墩底彎曲裂縫數量逐漸增多，并分別向墩身側面開展，原有裂縫也進一步增大，并且側面開始出現斜向裂縫。荷載繼續增加，原有斜向裂縫逐漸擴展，多條新的斜向裂縫開始出現，墩身正反向斜裂縫較為規則地交叉開展。當鋼筋屈服時，混凝土出現剝落，隨著位移逐漸增大，墩底混凝土被壓碎，試件承載力明顯下降，試件破壞。

圖3　試件破壞形態

高強鋼筋的配置，配箍率的增加在一定程度上推遲了裂縫的產生及開展，使破壞特征得到了完善，軸壓比的增大雖然也可以明顯推遲試件裂縫的出現與開展，提高試件的承載能力，但會使試件的破壞情況更加嚴重。

3試驗結果分析

3.1　滯回特性

滯回曲線是由多次循環的一系列滯回環形成的，綜合反映了試件的承載力、耗能能力等整體性的抗震能力[9]。滯回曲線所包圍的面積反映了試件耗散能量的能力，因此，試件的滯回曲線面積越大，耗能越強，抗震越好。試件的滯回曲線如圖4所示。

圖4　滯回曲線

各個試件的滯回環的形狀由開始的梭形逐漸發展為弓形。在加載初期，隨荷載的不斷增加，加載曲線的斜率逐漸減小。數次往復加載后，曲線上出現拐點，形成了中間捏攏現象。在卸載初期，滯回曲線較為陡峭，隨著荷載的不斷減小，曲線趨于平緩。當試件屈服后，隨著荷載的不斷增加及循環次數的增加，試件的變形也在逐漸增加；當荷載卸至零后，結構出現不能恢復的殘余變形。對比S1試件和S2試件，S2試件滯回曲線更加飽滿，承載力顯著增大，試件耗能能力更強，說明鋼筋強度的增加提高了試件的抗震能力。對比S2試件和S3試件，S2試件承載能力沒有明顯增大，但耗能能力增強，說明增大配箍率可以改善構件抗震性能，但對試件承載能力影響不大。對比S3試件和S4試件，S4試件承載能力提高明顯，但S3試件滯回曲線更加飽滿，說明增大試件軸壓比可以提高試件承載能力，但是對耗能能力提高不利。

3.2　承載力位移以及延性

表4　試件承載力、位移及延性

通過試件承載力位移延性因數的對比發現：4根試件的延性因數平均值為3.61～3.93，說明4根試件延性較好，配置高強鋼筋的S2試件的極限承載力比S1試件提高了31.7%，極限位移增大了25.9%；配箍率較大的S2試件極限承載力比S3試件有所提高，極限位移也增大了26.1%；軸壓比較大的S4試件的極限承載力比S3試件提高了21.1%，但極限位移卻減小了44.6%，說明高強鋼筋的配置可以明顯提高構件承載能力、增大試件位移延性、增大軸壓比，可以提高構件承載能力，但對試件位移延性不利。

3.3　耗能能力

結構構件吸收和耗散地震荷載下所產生能量的能力稱為耗能能力,它的強弱是對結構構件抗震性能優劣進行評價的主要標準之一。試驗中常采用等效黏滯阻尼因數he來衡量試件的耗能能力，he越大，滯回環越飽滿，試件耗能能力越強[12]。試件在主要工況下的黏滯阻尼因數如表5所示。

表5　各原型試件主要工況下的黏滯阻尼因數

通過試件黏滯阻尼因數對比發現:高強鋼筋的配置和配箍率的增大對改善試件的耗能能力效果不明顯，但軸壓比的增大卻對試件耗能不利。

4結論

(1)在試件中配置高強鋼筋，可以使試件滯回曲線更加飽滿，改善試件耗能能力，增大試件位移延性，提高試件極限承載能力，明顯改善試件抗震性能。

(2)在試件中增大配箍率，可以改善試件位移延性，提高試件耗能能力，但對試件極限承載能力的提高效果不明顯。

(3)增大試件的軸壓比，雖然可以明顯提高試件的極限承載能力，但卻降低了試件的位移延性與耗能能力，對試件抗震性能的提高不利。

參考文獻：

[1]Sumpter M S,Sani H,Rizkalla P Z.Behavior of High-Perform-ance Steel as Shear Reinforcement for Concrete Beams[J].ACI Structural Journal,2009,106(2):171-177.

[2]Ousalem H,Takatsu H,Ishikawa Y,et al.Use of High-strength Bars for the Seismic Performance of High-strength Concrete Columns[J].Journal of Advanced Concrete Technology,2009,7(1):123-134.

[3]李貴乾.鋼筋混凝土橋墩抗震性能實驗研究及數值分析[D].重慶:重慶交通大學土木系,2010.

[4]楊雅勛,黃華.鋼筋混凝土墩柱抗剪性能的影響分析[J].鐵道建筑,2010(6):18-21.

[5]張勤,貢金鑫.彎剪破壞鋼筋混凝土柱的荷載—變形關系[J].建筑科學與工程學報,2010,27(3):78-84.

[6]鄧艷青.HRB500鋼筋混凝土柱的抗震性能試驗研究[D].重慶:重慶大學,2010.

[7]張偉,張曉慶,楊大峰.鋼纖維混凝土腐蝕試驗研究[J].河南科技大學學報:自然科學版,2013,34(4):65-69.

[8]陳爽,陳宜虎,梁進修,等.碳纖維加固銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞抗彎性能[J].河南科技大學學報:自然科學版,2014,35(1):58-62.

[9]戎賢,張建新,李艷艷.配置HRB500 鋼筋的混凝土異形柱滯回性能試驗研究[J].建筑科學,2012,28(7):36-38.

[10]王曉鋒,傅劍平,朱愛萍,等.配置HRB500級鋼筋混凝土柱抗震性能模擬分析[J].建筑結構學報,2011,32(8):12-18．

[11]劉金升,蘇小卒,趙勇.配500 MPa細晶鋼筋混凝土柱低周反復荷載試驗[J].結構工程師,2009，25(3):135-141.

[12]李艷艷,王猛,張健新,等.軸壓比對高強鋼筋混凝土異形柱抗震性能影響研究[J].工業建筑,2013,43(4):62-65.