鋼管混凝土橋墩抗震性能試驗研究

鋼管混凝土橋墩抗震性能試驗研究

0鋼管混凝土橋墩性能的研究鋼筋混凝土橋墩在早期地震中表現(xiàn)出一定的易破性，尤其是低碼頭，其破壞程度不足，引起了橋梁研究人員的注意。在探索新的抗震結(jié)構(gòu)過程中,鋼管混凝土橋墩成為頗有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)形式之一,已在災后橋墩加固中被大量采用。國內(nèi)外學者對鋼管混凝土橋墩的抗震性能產(chǎn)生了一定的興趣,但針對這種橋墩形式的抗震試驗研究尚較少。本文以某已建實橋的墩柱為參考,按照一定比例設(shè)計了2個鋼管混凝土橋墩試件和1個鋼筋混凝土橋墩試件,進行擬靜力對比試驗,研究了鋼管混凝土橋墩的抗震性能,旨在通過探討這種新型橋墩形式的延性、耗能、強度退化以及剛度退化等性能,為鋼管混凝土橋墩的設(shè)計計算進行開拓性研究。為了模擬實際橋墩的受力狀態(tài),與以往鋼管混凝土柱抗震試驗不同的是,本文試驗構(gòu)件的軸壓比相對較小,為0.10～0.15。1試驗總結(jié)1.1鋼筋混凝土橋墩試件本次試驗共有3個橋墩試件,其中鋼管混凝土橋墩試件2個,編號分別為CFST-1和CFST-2;鋼筋混凝土橋墩試件1個,編號為RC-1,如圖1所示。鋼管混凝土試件和鋼筋混凝土試件的含鋼率相近,試件基本參數(shù)詳見表1和表2。1.2試驗安裝和加載系統(tǒng)1.2.1千斤頂施加試驗低周反復水平荷載由MTS作動器施加,豎向荷載由液壓千斤頂施加在橋墩頂端,試驗裝置見圖2。為盡量保證作動器施加的水平力為墩頂所承受,讓反力梁隨作動器移動方向移動,特別加工了4根柔性的鋼筋拉桿來代替原反力架。1.2.2循環(huán)次數(shù)和位移水平荷載采用位移控制加載。對于鋼管混凝土橋墩試件,試件屈服前對每一位移幅作1次循環(huán),位移增幅為2mm,屈服后對每一位移幅作3次循環(huán),位移增幅為4mm;對于鋼筋混凝土橋墩試件,從開始加載到試件破壞,每一位移幅都僅作1次循環(huán),每次循環(huán)的位移增幅屈服前為2mm,屈服后為4mm。2試驗現(xiàn)象與分析2.1鋼筋混凝土橋墩試件的加載位移2個鋼管混凝土橋墩試件的破壞發(fā)展過程類似。水平位移較小時,試件處于彈性工作狀態(tài),其加載和卸載的P—Δ關(guān)系基本呈線性變化;增大水平位移后,試件逐漸達到屈服狀態(tài),在水平位移為2～3倍屈服位移時,試件底部鋼管發(fā)生微小的鼓曲,而在隨后的卸載以及反向加載過程中,該鼓曲區(qū)域重新被拉平,同時相對一側(cè)底部鋼管發(fā)生微小鼓曲;繼續(xù)增大位移,鋼管的鼓曲程度加大,當水平位移增大到4倍左右屈服位移時,鋼管鼓曲區(qū)域向外膨脹,出現(xiàn)嚴重的鼓曲,同時沿截面四周發(fā)展,最后相連,形成一個類似“象腳”的外突環(huán);隨著位移進一步增加,外突環(huán)上的焊縫處開始出現(xiàn)裂紋,伴隨著較大的響聲形成較大的裂縫,直至破壞,此時從焊縫撕裂處散落出來的混凝土碎塊可以判斷內(nèi)部混凝土已被壓碎。試驗最后因水平位移過大,豎向千斤頂發(fā)生較大轉(zhuǎn)動,為保護儀器而停止加載,此時水平荷載已下降至其峰值的85%以下。鋼管混凝土橋墩試件的破壞過程見圖3。鋼筋混凝土橋墩試件在加載初期水平位移較小時,處于彈性狀態(tài),卸載后幾無殘余變形;當施加位移達到14mm時,先正向加載,在試件受拉側(cè)出現(xiàn)第一條水平裂縫,此后反向加載,該裂縫能很好地閉合,同時另一側(cè)出現(xiàn)裂縫;隨著施加位移的增大,原有裂縫不斷延伸變寬,反向加載時不再閉合,沿柱高不斷出現(xiàn)新裂縫,當位移增加到一定值后,裂縫數(shù)量不再增加,只是變寬變長;施加位移達到24mm時,墩底表面混凝土開始微小剝落;繼續(xù)增大位移,其中一條裂縫很快發(fā)展為破壞裂縫,該裂縫一旦聯(lián)通,混凝土開始大塊剝落,此時墩頂水平位移為32mm,試件完全破壞。鋼筋混凝土橋墩試件的破壞過程見圖4。2.2試驗結(jié)果與分析2.2.1鋼管混凝土橋墩能耗特性各試件的墩頂水平荷載—位移滯回曲線如圖5所示。從圖5(a)、(b)中可以看出,鋼管混凝土橋墩的滯回曲線比較豐滿,呈梭形,表明其具有較好的耗能能力。從圖5(a)、(c)可以看出,對鋼管混凝土橋墩而言,隨著軸壓比的增加,水平荷載峰值減小;隨著水平位移的增大,塑性階段整體水平承載力的降低加快,試件變形能力降低。圖6為橋墩試件的累積耗能曲線。從圖6可知,鋼筋混凝土橋墩的耗能能力比含鋼率相近的鋼管混凝土橋墩差得多(前者的累積耗能為19.2kN·m,后者的累積耗能為85.6kN·m)。2.2.2鋼筋混凝土橋墩圖7為橋墩試件的骨架曲線。由圖中可以看出:①在彈性階段,試件CFST-1與試件RC-1的剛度相差不大,試件CFST-1側(cè)向變形能力明顯大于試件RC-1。②軸壓比對鋼管混凝土試件彈性階段的剛度幾乎沒有影響,這主要是因為彈性階段試件變形小,P—Δ效應不明顯;隨著軸壓比的增大,試件的側(cè)向變形能力下降。由于鋼管混凝土試件的P—Δ曲線上無明顯的屈服點和破壞點,目前對該類結(jié)構(gòu)的屈服狀態(tài)和破壞狀態(tài)尚無統(tǒng)一的判別準則。為便于分析比較,參考文獻中關(guān)于鋼筋混凝土橋墩的定義,將最外邊緣鋼管受拉屈服時所對應的墩頂位移定義為屈服位移,將試件的承載力下降到峰值承載力的85%時所對應的墩頂位移定義為極限位移。由各試件的骨架曲線可以得到相應的理論屈服位移、極限位移以及延性系數(shù),列于表3。從中可以看出,鋼管混凝土橋墩的延性好于鋼筋混凝土橋墩;隨著軸壓比的增大,鋼管混凝土橋墩的延性有所下降。2.2.3軸壓比對強度退化系數(shù)的影響圖8和圖9所示分別為橋墩試件的強度退化和剛度退化曲線的對比。從圖8可以看出,由于反復荷載的作用,水平承載能力隨著位移的增大而呈下降的趨勢,且循環(huán)次數(shù)越多,水平荷載降低越大,但總的來說強度退化系數(shù)變化不大(除了試件CFST-2作第3次循環(huán)時突然破壞);隨著軸壓比的增大,試件的強度退化程度加快。由圖9(a)可知,鋼管混凝土橋墩的剛度退化慢于相同情況下的鋼筋混凝土橋墩;由圖9(b)可知,鋼管混凝土橋墩的軸壓比對剛度退化曲線有一定的影響,隨著軸壓比增大,曲線變陡,但這種影響總體上不太明顯,這可能與2個試件的軸壓比變化不大有關(guān)。3鋼管混凝土橋墩在加固前后的性能與應用前景分析本文通過對鋼管混凝土橋墩和鋼筋混凝土橋墩抗震性能的試驗研究,得出以下結(jié)論:(1)在相同的含鋼率和軸力情況下,鋼管混凝土橋墩的滯回曲線比鋼筋混凝土橋墩的滯回曲線更加豐滿,具有更好的耗能能力,在本次試驗中,前者約是后者的4.46倍。對鋼管混凝土橋墩而言,隨著軸壓比的增加,水平荷載峰值減小;隨著水平位移的增大,塑性階段整體水平承載力的降低加快,試件變形能力降低。(2)相同情況下,鋼管混凝土橋墩的延性好于鋼筋混凝土橋墩;軸壓比對鋼管混凝土橋墩彈性階段的抗彎剛度幾乎沒有影響,但隨著軸壓比的增大,橋墩的延性有所下降。(3)鋼管混凝土橋墩所能承受的水平荷載隨著位移的增大而呈下降的趨勢,且循環(huán)次數(shù)越多,水平荷載降低越大,但總的來說強度退化系數(shù)變化不大,基本維持在0.9以上;隨著軸壓比的增大,試件的強度退化程度加快。鋼管混凝土橋墩的剛度退化慢于相同情況下的鋼筋混凝土橋墩;鋼管混凝土橋墩的軸壓比對剛度退化有一定的影響,但總體上不太明顯,這可能與2個試件的軸壓比變化不大有關(guān)。(4)在抗震加固中,用鋼管包裹鋼筋混凝土橋墩的損傷區(qū)域的做法,在美日等國已有較多的研究