钢管混凝土桥墩抗震性能试验研究

钢管混凝土桥墩抗震性能试验研究

0钢管混凝土桥墩性能的研究钢筋混凝土桥墩在早期地震中表现出一定的易破性，尤其是低码头，其破坏程度不足，引起了桥梁研究人员的注意。在探索新的抗震结构过程中,钢管混凝土桥墩成为颇有发展潜力的结构形式之一,已在灾后桥墩加固中被大量采用。国内外学者对钢管混凝土桥墩的抗震性能产生了一定的兴趣,但针对这种桥墩形式的抗震试验研究尚较少。本文以某已建实桥的墩柱为参考,按照一定比例设计了2个钢管混凝土桥墩试件和1个钢筋混凝土桥墩试件,进行拟静力对比试验,研究了钢管混凝土桥墩的抗震性能,旨在通过探讨这种新型桥墩形式的延性、耗能、强度退化以及刚度退化等性能,为钢管混凝土桥墩的设计计算进行开拓性研究。为了模拟实际桥墩的受力状态,与以往钢管混凝土柱抗震试验不同的是,本文试验构件的轴压比相对较小,为0.10～0.15。1试验总结1.1钢筋混凝土桥墩试件本次试验共有3个桥墩试件,其中钢管混凝土桥墩试件2个,编号分别为CFST-1和CFST-2;钢筋混凝土桥墩试件1个,编号为RC-1,如图1所示。钢管混凝土试件和钢筋混凝土试件的含钢率相近,试件基本参数详见表1和表2。1.2试验安装和加载系统1.2.1千斤顶施加试验低周反复水平荷载由MTS作动器施加,竖向荷载由液压千斤顶施加在桥墩顶端,试验装置见图2。为尽量保证作动器施加的水平力为墩顶所承受,让反力梁随作动器移动方向移动,特别加工了4根柔性的钢筋拉杆来代替原反力架。1.2.2循环次数和位移水平荷载采用位移控制加载。对于钢管混凝土桥墩试件,试件屈服前对每一位移幅作1次循环,位移增幅为2mm,屈服后对每一位移幅作3次循环,位移增幅为4mm;对于钢筋混凝土桥墩试件,从开始加载到试件破坏,每一位移幅都仅作1次循环,每次循环的位移增幅屈服前为2mm,屈服后为4mm。2试验现象与分析2.1钢筋混凝土桥墩试件的加载位移2个钢管混凝土桥墩试件的破坏发展过程类似。水平位移较小时,试件处于弹性工作状态,其加载和卸载的P—Δ关系基本呈线性变化;增大水平位移后,试件逐渐达到屈服状态,在水平位移为2～3倍屈服位移时,试件底部钢管发生微小的鼓曲,而在随后的卸载以及反向加载过程中,该鼓曲区域重新被拉平,同时相对一侧底部钢管发生微小鼓曲;继续增大位移,钢管的鼓曲程度加大,当水平位移增大到4倍左右屈服位移时,钢管鼓曲区域向外膨胀,出现严重的鼓曲,同时沿截面四周发展,最后相连,形成一个类似“象脚”的外突环;随着位移进一步增加,外突环上的焊缝处开始出现裂纹,伴随着较大的响声形成较大的裂缝,直至破坏,此时从焊缝撕裂处散落出来的混凝土碎块可以判断内部混凝土已被压碎。试验最后因水平位移过大,竖向千斤顶发生较大转动,为保护仪器而停止加载,此时水平荷载已下降至其峰值的85%以下。钢管混凝土桥墩试件的破坏过程见图3。钢筋混凝土桥墩试件在加载初期水平位移较小时,处于弹性状态,卸载后几无残余变形;当施加位移达到14mm时,先正向加载,在试件受拉侧出现第一条水平裂缝,此后反向加载,该裂缝能很好地闭合,同时另一侧出现裂缝;随着施加位移的增大,原有裂缝不断延伸变宽,反向加载时不再闭合,沿柱高不断出现新裂缝,当位移增加到一定值后,裂缝数量不再增加,只是变宽变长;施加位移达到24mm时,墩底表面混凝土开始微小剥落;继续增大位移,其中一条裂缝很快发展为破坏裂缝,该裂缝一旦联通,混凝土开始大块剥落,此时墩顶水平位移为32mm,试件完全破坏。钢筋混凝土桥墩试件的破坏过程见图4。2.2试验结果与分析2.2.1钢管混凝土桥墩能耗特性各试件的墩顶水平荷载—位移滞回曲线如图5所示。从图5(a)、(b)中可以看出,钢管混凝土桥墩的滞回曲线比较丰满,呈梭形,表明其具有较好的耗能能力。从图5(a)、(c)可以看出,对钢管混凝土桥墩而言,随着轴压比的增加,水平荷载峰值减小;随着水平位移的增大,塑性阶段整体水平承载力的降低加快,试件变形能力降低。图6为桥墩试件的累积耗能曲线。从图6可知,钢筋混凝土桥墩的耗能能力比含钢率相近的钢管混凝土桥墩差得多(前者的累积耗能为19.2kN·m,后者的累积耗能为85.6kN·m)。2.2.2钢筋混凝土桥墩图7为桥墩试件的骨架曲线。由图中可以看出:①在弹性阶段,试件CFST-1与试件RC-1的刚度相差不大,试件CFST-1侧向变形能力明显大于试件RC-1。②轴压比对钢管混凝土试件弹性阶段的刚度几乎没有影响,这主要是因为弹性阶段试件变形小,P—Δ效应不明显;随着轴压比的增大,试件的侧向变形能力下降。由于钢管混凝土试件的P—Δ曲线上无明显的屈服点和破坏点,目前对该类结构的屈服状态和破坏状态尚无统一的判别准则。为便于分析比较,参考文献中关于钢筋混凝土桥墩的定义,将最外边缘钢管受拉屈服时所对应的墩顶位移定义为屈服位移,将试件的承载力下降到峰值承载力的85%时所对应的墩顶位移定义为极限位移。由各试件的骨架曲线可以得到相应的理论屈服位移、极限位移以及延性系数,列于表3。从中可以看出,钢管混凝土桥墩的延性好于钢筋混凝土桥墩;随着轴压比的增大,钢管混凝土桥墩的延性有所下降。2.2.3轴压比对强度退化系数的影响图8和图9所示分别为桥墩试件的强度退化和刚度退化曲线的对比。从图8可以看出,由于反复荷载的作用,水平承载能力随着位移的增大而呈下降的趋势,且循环次数越多,水平荷载降低越大,但总的来说强度退化系数变化不大(除了试件CFST-2作第3次循环时突然破坏);随着轴压比的增大,试件的强度退化程度加快。由图9(a)可知,钢管混凝土桥墩的刚度退化慢于相同情况下的钢筋混凝土桥墩;由图9(b)可知,钢管混凝土桥墩的轴压比对刚度退化曲线有一定的影响,随着轴压比增大,曲线变陡,但这种影响总体上不太明显,这可能与2个试件的轴压比变化不大有关。3钢管混凝土桥墩在加固前后的性能与应用前景分析本文通过对钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩抗震性能的试验研究,得出以下结论:(1)在相同的含钢率和轴力情况下,钢管混凝土桥墩的滞回曲线比钢筋混凝土桥墩的滞回曲线更加丰满,具有更好的耗能能力,在本次试验中,前者约是后者的4.46倍。对钢管混凝土桥墩而言,随着轴压比的增加,水平荷载峰值减小;随着水平位移的增大,塑性阶段整体水平承载力的降低加快,试件变形能力降低。(2)相同情况下,钢管混凝土桥墩的延性好于钢筋混凝土桥墩;轴压比对钢管混凝土桥墩弹性阶段的抗弯刚度几乎没有影响,但随着轴压比的增大,桥墩的延性有所下降。(3)钢管混凝土桥墩所能承受的水平荷载随着位移的增大而呈下降的趋势,且循环次数越多,水平荷载降低越大,但总的来说强度退化系数变化不大,基本维持在0.9以上;随着轴压比的增大,试件的强度退化程度加快。钢管混凝土桥墩的刚度退化慢于相同情况下的钢筋混凝土桥墩;钢管混凝土桥墩的轴压比对刚度退化有一定的影响,但总体上不太明显,这可能与2个试件的轴压比变化不大有关。(4)在抗震加固中,用钢管包裹钢筋混凝土桥墩的损伤区域的做法,在美日等国已有较多的研究