铁路桥梁单柱式桥墩伪静力试验研究

铁路桥梁单柱式桥墩伪静力试验研究

在中国现有的铁路桥梁中，单柱桥是一种广泛应用最大、应用最广泛的桥型。如何提高和改善这种类型桥墩的抗疲劳动性能，以及进行合理的延长抗疲劳设计，是中国当前铁路工程抗规范改革中必须解决的问题。这就是我们在北方交通大学结构实验研究所组织的这种桥墩模型的动态地震模拟。为了准确模拟真实码头的地震张力的压力和破坏的特点，采用了24个大比例尺桥墩模型。生产工艺和维护条件符合现场建设条件。我国铁路桥梁上立柱钢筋混凝土桥墩的截面大多为矩形或圆形。由于北方交通大学和同济大学的经验研究，圆形桥墩已经研究了两次，圆墩也是国外进行的大量实验研究，因此本次试验设计的桥墩模型为矩形截面。1试验总结1.1试验模型的建立试验采用的矩形桥墩模型的截面尺寸均为50cm×50cm.根据我国实际工程应用以及未来发展情况,纵向钢筋的配筋率最小采用0.78%,最大为2%.箍筋采用传统的周边布筋形式,箍筋间距为5～20cm,直径为8cm.同时,为了比较不同的箍筋布置方式的影响,其中有4个模型采用了螺旋箍筋.为了考察剪跨比的影响,制作了不同高度的试验模型.在参考国内外试验情况的基础上,模型高度范围在1.5～2.5m,相应的剪跨比约为3.2～5.3,基本上可以反映剪切和弯曲两种类型桥墩的剪力、变形和破坏情况.模型分4组,每组除主筋配筋率不同外,其他设计参数一样.其中,第1组的配筋率为2.0%,第2组的为1.5%,第3组的为1.0%,第4组的为0.8%.具体设计参数见表1.1.2伪静力反复加载试验加载设备采用拟静力液压作动器.整个试验系统由四部分组成:加载装置、测量仪器、数据采集系统、控制系统.加载装置的具体安装如图1所示.在伪静力反复加载试验中,常用的加载模式有三种:变位移加载,变力加载,变力—变位移加载.试验采用第三种加载方式.在加载过程中,第一级加载由力控制,进入屈服后改用位移控制,直至构件破坏.每一级加载循环10次(N=10),每级加载的位移增量为首次加载的位移量,即屈服位移(dis).加载波形为正弦波形,加载控制过程中的波形变化如图2所示.2b、c、d破坏形态针对各种典型破坏情况,图3a～f分别给出了模型试验中几个有代表性的力—位移关系曲线.从图3可见,a和b破坏形态是典型的剪切滑移型,滞回环呈反S型;c和d破坏形态为弯剪型,滞回环呈反S型;而e和f是典型的弯曲型破坏,滞回环呈梭型.但在临近破坏阶段,6个环都不同程度地呈反S型,表明结构破坏时均有一定的滑移现象.3能力能耗指标结构在弹塑性变形过程中消耗能量的能力是衡量其抗震性能的重要指标.耗能指标越高,说明结构在地震过程中消耗的地震能量越多,对结构的抗震安全性越有利.本文累计耗能是指对应于某加载位移10次循环所消耗的总能量.3.1配再配低性能从图4a～d可以看出,模型的耗能性能基本上随着配箍率的增加而增加,同时在累计耗能达到最大之前,对应于同一位移水平的累计耗能性能也随着配箍率的增加而增大,并且都存在明显的转折点.当累计耗能达最大后,在一定范围内,累计耗能指标下降较慢,随后累计耗能的性能迅速下降.但配箍率较大的9号和21号模型耗能曲线的下降率比配箍率最小的8号和20号模型明显小.这说明,配箍率的增加一方面可以增加桥墩的耗能能力,同时在结构临近破坏阶段仍能保持较高的耗能能力.3.2结构配筋率下降,d从图5a～d可以看出,在结构的配筋率较高的情况下,剪跨比较小的5,11号模型的累计耗能指标大于剪跨比较大的4,10号模型,并且都存在明显的转折点.但在累计耗能达到最大后,配筋率最高的4号模型的累计耗能下降并不大,并存在一定的上升趋势;而5,11号下降相对较快,特别是配筋率最大的5号,在达到累计耗能最高点后,下降幅度很大.从结构配筋率相对较低的5c,d中可以看出,剪跨比较大的13,19号模型的累计耗能性能大于剪跨比较小的17,23号模型.在累计耗能曲线的下降阶段,13号的下降趋势较17号小.而配筋率最低的19号在累计耗能达到最大后,累计耗能性能迅速下降,而23号的下降趋势则比较平缓.可见,剪跨比对结构的累计耗能性能存在较大影响.当结构的配筋率较高,而剪跨比较小时,从保证耗能特性的角度必须配置足够的箍筋和横向钢筋;而当结构的配筋率较小时,该要求可适当放宽.3.3配筋率对结构能耗的影响从图6可以看出,随着模型配筋率的不断增加,结构的累计耗能性能也不断增加.而对于配筋率最大的5号模型而言,在耗能达到最大后存在明显的下降段.对于10,16和22号模型,在耗能曲线的下降阶段,随着配筋率的增加,结构耗能趋势逐渐趋于平缓;5,11和17号模型也存在同样的情况.可见,尽管配筋率的增加可增加结构耗能指标,但在箍筋或横向钢筋不能保证耗能特性充分发挥时,在耗能曲线下降段,也就是结构变形达一定程度后,累计耗能性能反会随着配筋率的增加而降低.4要实现墩高和弯矩的有限元分析下面是通过具有不同箍筋率、剪跨比和箍筋布置的桥墩模型试验得到的力—位移关系的外包络曲线.为了消除墩高的影响,将桥墩模型加载点横向位移Δ和荷载P分别用塑性铰处的相对转角θ=Δ/h(h为墩高)和弯矩M=Ph来代替.4.1包络曲线的下降段从图7可以看出,在主筋配筋率相同的情况下,极限强度大体一致.但在包络曲线的下降阶段,配箍率最高的3,9,15号以及21号模型的包络曲线比较平缓,而配箍率最低的2,8,14号以及20号模型强度下降较快,存在比较明显的转折点.可见,箍筋率对结构的极限强度影响不大,但对包络曲线的下降段存在比较明显的影响.而在桥墩的延性抗震设计中,包络曲线的下降段代表结构的抗力和刚度退化的开始,这两个参数退化速度快,说明结构在进入该阶段后将很快破坏,抗震性能差;反之,表明结构即使进入了退化阶段,仍保持相当的抗震性能.4.2剪跨比对极限强度的影响从图8可以看出,剪跨比不同而其他设计参数相同的情况下,结构的极限强度大致相同.配箍率较高的图8a,b中,剪跨比较大的1,10号模型在包络曲线下降阶段的强度比5,11号略小,而配筋率较低的13,19号模型,则比16,23号略大.同时,剪跨比最大的1,10,13号及19号模型在强度下降阶段存在明显的转折点,表明部分主筋断裂后存在较大的强度下降.图8b,c,d中,在包络曲线的下降阶段,剪跨比最小的12,24号模型比剪跨比最大的10,19号的强度略小.同时在部分主筋断裂之前,强度下降的幅度较大,但断裂后,剪跨比较大的10,19号模型存在明显的转折点,强度下降很快.从以上的分析可以看出,剪跨比对极限强度影响并不大.在剪跨比较大的情况下,剪跨比对包络曲线的影响较小;但过小时,对包络曲线存在比较明显的影响.5模型试验中的破坏形态(1)配筋率较高的1～12号墩,剪跨比较小的17,18号墩,具有比较明显的剪切破坏特性.试件的斜裂缝发育比较明显,并且在位移较大时,模型根部的开裂面上发生了明显的错位、滑移现象.同时,在平行于加载方向的混凝土产生了交叉斜裂缝,这些斜裂缝随着位移的增大发育更加明显,最后直至脱落,并形成贯通的斜裂缝.而配筋率较小、剪跨比较大的13～16墩,19～22墩,呈现出比较明显的弯曲破坏特点.在位移较小阶段,模型主要产生水平方向裂缝,斜裂缝发育不明显.在临近破坏阶段,外侧混凝土出现竖向裂缝.试件破坏后,混凝土脱落不明显,仅出现在断裂钢筋附近,并无贯穿裂缝出现.(2)从钢筋断裂部位看,基本发生在距底座上部25cm左右,贯通斜裂缝也基本出现在这个部位.(3)在试验过程中,6号墩身混凝土从上部到下部都开裂,并且在主筋屈服后,混凝土剥落现象十分严重,同时在加载侧向上有一侧箍筋大部分裸露在外.从观察结果看,主要原因由于配筋率较高、剪跨比较小,剪切强度明显低于弯曲强度.首先在某一部位产生剪切破坏,并随着墩身其他部位的开裂逐渐扩大.这种破坏使混凝土被各方向的裂缝分割成散体,导致桥墩各个截面的侧向抗力和竖向承载力迅速下降而失效.由于剪切型破坏延及范围大,速度快,对结构的整体抗震安全造成的影响远大于弯曲破坏,且修复困难,因此在实际工程设计中,应尽量避免矮墩高配筋率现象,无法避免时应配以足够的箍筋或横向钢筋,使混凝土在各变形阶段始终处于约束变形状态,并保证其抗剪强度高于弯曲强度.(4)图9是模型试验中出现的几种典型破坏形态.从中可以看出,只要不出现明显的剪切破坏,各试件的破坏在宏观上均集中在塑性铰附近.但从具体的破坏原因看,则呈现出各种各样的变化,主要有主拉钢筋断裂、箍筋拉断或接头张开、混凝土塌落、斜裂缝发育使横向抗力大幅度降低以及这些情况的组合等.综上分析,产生这些破坏现象的原因主要有:①目前,我国对于矩形桥墩箍筋的布置形式基本上为周边布筋.这种方式难以对核心混凝土提供有效约束,同时对纵筋也不能提供足够的侧向约束力,桥墩的延性变形能力没有充分发挥.②我国现有箍筋的布筋数量与国外相比存在一定差距,同时矩形箍筋的锚固基本上采用45°弯钩斜插入核心混凝土.基于轴压比、纵向配筋率及剪跨比等影响因素的塑性区域配箍率的确定仍有待进一步研究.③在小剪跨比、高配筋率情况下,抗剪能力不足导致剪切型破坏.6主筋和抗剪钢筋(1)在容易产生塑性铰的地方应适当增加箍筋,以避免由于箍筋