粘鋼加固損傷混凝土箱型橋墩的抗震性能Ⅰ:雙向擬靜力試驗

宗周紅 鄧江東 黎雅樂 劉愛榮

(1東南大學土木工程學院,南京 210096)(2廣州大學土木工程學院,廣州 510006)

在歷次大地震中,橋梁均受到了嚴重的震害.例如,2008年中國汶川地震后對干線公路上1 081座橋梁進行震害調查,發現78%的橋梁完好或輕微損傷,11%中度損傷,9%嚴重損傷,1.5%損毀,0.5%為在建橋梁,其中橋墩損傷是一種主要的損傷形式[1-2].

橋梁結構抗震加固中橋墩是主要環節.研究表明,加固后混凝土處于三向受力狀態,加固材料可以有效地約束混凝土,使加固墩柱的抗彎、抗剪和抗壓強度均有一定程度的提高,從而有效提高了橋墩的抗震強度[3-5].此外,加固后橋墩具有較大的延性及變形能力,墩柱可以承受較大的塑性變形而不致破壞.更重要的是,近代觀測數據表明,橋墩有可能遭受到預料不到的特大峰值加速度地震動,此時延性抗震加固可有效地保證和達到橋墩的抗震設防目標,同時又使設計經濟合理[6-8].

隨著山區公路的快速發展,空心截面柔性墩得到了廣泛應用.文獻[9-12]對不同尺寸的箱型截面模型墩進行了擬靜力試驗研究.Mo等[13]進行了外包FRP布加固箱型墩柱抗震性能的研究,結果表明FRP片材能有效提高箱型墩柱的延性系數和抗剪強度.Lignola等[14]制作了7根鋼筋混凝土箱型墩柱,墩高3.20 m,在外包FRP后進行偏壓試驗研究,考察試件在軸力和彎矩共同作用下的力學行為,并初步探討了實體墩柱分析方法用于箱型墩柱的可能性.

既有研究大多針對完好橋墩,分析其抗震加固后的強度和延性,但實際上橋梁抗震加固一般是針對在役橋梁的,這些橋梁往往存在不同程度的初始損傷.目前,針對鋼筋混凝土箱型橋墩的抗震加固研究工作還比較少.本文利用雙向擬靜力試驗,分析具有初始彎曲損傷的混凝土箱型橋墩的抗震加固力學性能.

1 模型試驗

結構抗震試驗是研究結構抗震性能最直接有效的方法,其中擬靜力試驗是目前研究中應用最廣泛的試驗方法.本模型試驗以福建某高速公路大橋為工程背景,該橋主墩高60 m,墩身為4.5 m×6.25 m的箱型截面.

按照1∶14比例制作橋墩縮尺模型.依據與原型墩截面配筋率和體積配筋率相等的原則,本試驗模型橋墩縱筋采用28φ8 mm,箍筋在墩底塑性鉸區域為6@50 mm,其余區域為6@100 mm(見圖1),并采用C50細石混凝土澆筑試件.材料實測力學參數見表1～表3.為了滿足MTS加載系統施加水平力的需要,在每根墩柱頂部制作尺寸為540 mm×720 mm×700 mm的柱頭,并在墩底制作尺寸為250 mm×800 mm×1 300 mm的底座以固定試件.

圖1 典型試件配筋圖(單位:mm)

表1 混凝土力學參數 MPa

表2 鋼材力學參數 MPa

表3 ZHG-2粘鋼型建筑結構膠力學參數 MPa

根據以上設計要求,本試驗共設計制作了11個試件,其主要設計參數見表4.初始損傷程度按照發生的塑性變形量與墩柱極限塑性變形量的比值來確定.實現初始損傷后橋墩上的裂縫主要分布在距墩底1.2～2.0 m范圍內.典型試件裂縫分布如圖2所示.

采用鋼板四面包裹混凝土墩柱進行加固,鋼板和混凝土墩柱之間采用結構膠與錨固螺栓同時連接,加固鋼板與底座中的預埋鋼板焊接在一起,以保證鋼板與墩柱共同受力,加固高度為墩底至1/4加載高處(見圖2).

表4 粘鋼加固墩柱試驗模型的主要設計參數及初始損傷情況

圖2 B1試件裂縫分布及加固處理

擬靜力試驗施加三向荷載(見圖3).豎向恒定的軸壓由滑動軸壓千斤頂施加,標準軸壓荷載為210 kN,軸壓比為0.1.需要說明的是,滑動軸壓千斤頂與固定支座的摩擦系數根據《機械設計手冊》[15]取為0.03,在以下分析中根據滑動軸壓千斤頂的摩擦力進行了縮減.水平方向的滯回加載采用MTS加載系統,X,Y軸方向雙向同步加載,X軸為構件的強軸,Y軸為弱軸.為了便于對比分析強軸與弱軸的區別,2個方向的位移幅值比取為1∶1,每級加載循環2圈.整個加載過程如下:在初始階段,第1級加載以2 mm的幅值遞增;鋼筋屈服后,以3 mm幅值遞增加載;待水平承載力開始出現下降時,則以5 mm幅值遞增加載,直至試驗結束.加載規則如圖4所示.

圖3 加載裝置布置

圖4 加載規則

2 構件破壞過程

對于未加固的試件A0,當位移達到8 mm時,在墩身與底座交界處首次觀察到1條裂縫.隨著位移等級的增加,混凝土表面不斷出現新裂縫,舊裂縫的長度和寬度也得到發展.當墩頂位移達到44 mm時,墩底角部混凝土開始不斷剝落,隨位移增大,混凝土剝落區域增大.當位移達到70 mm時,試件兩側的主裂縫寬度大于2 mm,試件破壞嚴重,墩底混凝土被壓碎(見圖5(a)).此時,試件四周的裂縫分布情況為：從墩底開始到1.5 m高度處,大約每隔10～15 cm便有1條水平裂縫,同時存在少量的斜裂縫.

圖5 典型試件的最終破壞情況

加固后的試件破壞過程相似.對于試件B1,加載初期,墩柱底部鋼筋與加固鋼板的應變迅速增大,當達到最大恢復力后,兩者的應變發展變得平緩(見圖6).當施加位移為4 mm時,加固鋼板上緣唯一一條既有裂縫的寬度為0.02 mm,隨著水平位移的不斷增大,該裂縫寬度不斷增加且長度不斷延伸.當水平位移達到10 mm時,在既有裂縫以上10～15 cm左右的位置出現新的裂縫.此后,既有裂縫的寬度與長度隨著水平位移幅值的增加而不斷增大,新裂縫也沿著墩高陸續出現(見圖6).

圖6 應變時間歷程曲線及塑性鉸區主裂縫擴展曲線

加固鋼板上緣混凝土應變持續快速增加.當水平位移約為50 mm,壓應變大于7×10-4時,墩角處開始出現混凝土壓碎現象.加固鋼板上緣40 cm范圍內出現很多貫通裂縫,形成新的塑性區,墩角混凝土壓碎嚴重,一條較大的水平裂縫將粘鋼與非粘鋼部分分為2段,其中一個墩角鋼筋已受壓屈曲.由圖6可以看出,在加載后期各試件加固鋼板上緣裂縫寬度發展迅速,裂縫的最大寬度見表5.

表5 塑性鉸區各試件的最大裂縫寬度 mm

最后,墩柱發生了較大的傾斜,且水平荷載下降到最大荷載的85%以下,破壞情況如圖5(b)所示.墩底鋼板連接焊縫完好,無屈曲和脫膠現象(采用鐵錘敲擊粘貼鋼板無空響),可以認為,墩底不再是破壞的控制截面,構件的破壞是由于在加固鋼板上緣形成了新的塑性鉸.

3 滯回曲線

低周反復荷載作用下的荷載-位移滯回曲線能夠綜合反映結構或構件受力性能的變化,描述結構或構件的彈性、彈塑性性質和變形性能,如裂縫的開閉、鋼筋的屈服、黏結滑移、局部混凝土的酥裂及剝落等.

試驗得到的各個構件的滯回曲線相似,演變過程見圖7.由圖可知,所有試件的滯回環均較為飽滿,水平雙向加載的耦合作用使試件2個方向的滯回環存在一定的差異,Y軸方向較X軸方向的捏擠效應顯著.

各試件的荷載-位移滯回曲線大致經歷相似的發展過程:① 在加載初期,未達混凝土開裂荷載之前,X軸方向的滯回曲線沿直線發展,正負向加卸載曲線基本重合,且加載曲線的斜率變化較小,剛度退化不顯著,此時試件基本處于彈性工作階段.② 隨著水平荷載的加大,墩柱塑性鉸區混凝土開裂,水平裂縫不斷出現,2個方向的滯回環開始呈現曲線形,形成飽滿的梭形,其面積不斷增大,表明試件處于非線性工作階段.伴隨著鋼筋與混凝土的滑移,滯回曲線在后期出現了捏攏現象.

滯回曲線的大體演變過程為直線形—梭形—倒S形.由于初始損傷時弱軸方向已經出現鋼筋的黏結滑移,因此,在第1個循環內Y軸就出現了捏擠效應.

4 骨架曲線

骨架曲線反應了每級加載時荷載-位移曲線達到最大峰值點的軌跡,是衡量試件抗震性能的主要依據.圖8為本試驗中所得的骨架曲線.由圖可知,各試件從加載到破壞大致經歷了4個典型的受力變形階段:① 線性階段;② 屈服階段;③ 屈服后的強化階段;④ 最大荷載后的下降階段.骨架曲線上的特征點列于表6.由表可知,在雙向荷載作用下,試件X軸方向的屈服荷載和極限荷載都大于Y軸方向.相對于未加固構件,加固構件的極限荷載和極限變形均得到了提高.

由于初始損傷主要集中在底部,而加固可以有效抵消初始損傷的影響,因此初始損傷程度對加固構件的骨架曲線沒有明顯的影響,最大荷載和極限位移差別不大.這也表明具有初始損傷的橋墩是可以經過加固有效恢復其性能的.

不同加固鋼板厚度情況下各試件的骨架曲線基本重合,骨架曲線的特征點也基本相近.當加固鋼板厚度在3～5 mm范圍內變化時,墩柱加固后的承載力和極限變形基本不變.這主要是因為即使加固鋼板的最小厚度為3 mm,也可以保證塑性鉸發生轉移.此時,鋼板厚度不是決定性的影響因素,對加固后墩柱的總體性能無明顯影響.軸壓比對加固墩柱骨架曲線有顯著影響.隨著軸壓比的增大,加固墩柱的水平承載力增加.對軸壓比為0.2的試件D1和無軸壓的試件D2,加固后前者X軸方向的極值荷載較后者提高了89.3%,Y軸方向提高了117.1%,但前者在2個方向的極限位移均約為后者的79%.

長細比也是影響加固墩柱骨架曲線的重要因素.隨著長細比的增大,試件的整體剛度減小,在相同水平位移下承載力減小.但長細比越大的試件極限位移越大.

圖7 荷載-位移滯回曲線

圖8 荷載-位移骨架曲線

表6 荷載-位移骨架曲線的特征點和位移延性

5 橋墩延性性能

本文采用位移延性系數研究粘鋼加固后墩柱的延性性能.定義位移延性系數μ為

μ=Δu/Δy

(1)

式中,Δy為屈服位移;Δu為極限位移.

采用通用屈服彎矩法來確定屈服位移Δy.荷載位移(P-Δ)曲線如圖9所示,過原點O的初始彈性理論線OA與過最大荷載點D的水平線相交于點A.過點A作垂直線,與P-Δ骨架曲線交于點B.連接點O與點B,延長后與線AD交于點C.過點C作垂線,與P-Δ曲線交于點Q.點Q對應的荷載和位移即為屈服荷載和屈服位移.

圖9 屈服位移Δy的確定

根據試驗結果,計算得到粘鋼加固后各墩柱的位移延性系數(見表6).

加固后構件的延性性能得到提高.對于有抗震要求的鋼筋混凝土結構,一般要求其延性系數μ在3～4之間.由表6可以看出,所有加固墩柱在X,Y軸方向上的延性系數均大于上限值,說明粘鋼加固后墩柱的延性性能可以較好地滿足要求.由于Y軸的屈服位移小,故Y軸方向的延性系數大于X軸方向的延性系數.

隨著損傷程度的增加,加固鋼板上緣區域損傷程度越發嚴重,鋼筋屈服位移增大,從而導致橋墩的延性能力降低.高軸壓也會降低橋墩的延性能力,加固鋼板的厚度和長細比則對延性影響不明顯.

6 剛度退化曲線

剛度退化是反映構件抗震性能的一個重要指標.《建筑抗震試驗方法規程》[16]中規定,試件的剛度可用割線剛度表示.割線剛度Ki可表示為

(2)

式中,±Fi分別為第i次循環正、反向加載時對應的峰值點荷載;±Δi分別為第i次循環正、反向加載時對應的峰值點位移.

試驗中各試件的剛度退化曲線見圖10.由圖可知,隨著塑性鉸區混凝土開裂及鋼筋屈服,各試件的剛度急劇下降,而當試件達到極限荷載后,剛度衰減漸趨平緩,變化不大.此外,未加固構件的剛度退化得更加快速,達到破壞后剩余剛度相差不大.

圖10 剛度退化曲線

在整個加載過程中,各個試件X軸方向的剛度均大于Y軸方向,這與加固試件本身特性相符.Y軸方向的剛度下降得更快,最終剛度約為其初始剛度的6.5%,而X軸方向的最終剛度則約為初始剛度的9.6%.

粘鋼加固后墩柱的初始剛度相對較小.隨著損傷程度的增大,加固墩柱的剛度衰變減緩.

在其他參數相同的情況下,加固鋼板厚度對試件的剛度退化幾乎沒有影響.試件B1,C1,C2的剛度退化曲線基本重合,三者的初始剛度和最終剛度也大致相同.

軸壓比較大的試件,初始剛度也較大,但后期隨著水平位移的增加，衰減較快.對于軸壓比最大的試件D1,軸壓力的存在類似于給墩柱沿軸向施加了一個預應力,延緩了墩柱的開裂,當水平位移施加到16 mm時,才出現第1條新裂縫,因此在加載初期,其剛度較大,隨著位移的不斷增大,混凝土開裂越來越嚴重,且較大的軸壓力加快了受壓區混凝土的壓碎,使混凝土較快地退出工作,削弱了墩柱的有效截面積,致使后期墩柱的剛度衰減更快.相反,對于沒有施加軸壓的試件D2,在加載初期,水平位移為6 mm時就出現了新裂縫,初始剛度較小,而后期混凝土壓碎不明顯,相對于軸壓比較大的試件,剛度退化較為平緩.

長細比也是一個重要的影響因素.剛度退化曲線隨著長細比的增加而變得平緩,退化程度減小.

7 耗能能力

構件的耗能能力一般可通過其在循環荷載作用下的荷載-位移滯回曲線包絡線所圍成的圖形面積來衡量,滯回包絡線越飽滿,則試件的耗能能力越強.本文以等效黏滯阻尼系數he來衡量試件在地震中的耗能能力,其計算示意圖見圖11，Sabcd表示滯回曲線一周所耗散的地震能量;Sobe表示假想的彈性線段ob在達到相同的位移oe所吸收的能量.曲線面積Sabc與三角形面積Sobe的比值,表示耗散能量與等效彈性體產生相同位移時輸入的能量之比.he的計算公式可表示為

(3)

圖11 等效黏滯阻尼系數計算示意圖

由圖12可知,加載開始時各加固墩柱的阻尼系數逐漸降低,而后隨著水平位移的增加而逐漸增大.這表明隨著水平位移的增大,因混凝土的開裂壓碎、鋼筋的屈服以及鋼筋與混凝土之間的滑移,試件不斷耗散地震能量.整體而言,Y軸方向的損傷嚴重,耗能能力大于X軸方向.

圖12 等效黏滯阻尼系數曲線

相同側向位移下未加固構件的耗能能力更大,但達到極限位移時,加固構件的等效黏滯阻尼系數更大.損傷程度大的試件的等效黏滯阻尼系數較損傷程度小的試件略大,而所選用的3種厚度鋼板加固墩柱的耗能能力幾乎一樣.

軸壓比對粘鋼加固后墩柱的耗能能力有較為顯著的影響.在相同位移等級下,軸壓比越大的墩柱,加卸載剛度越大,且構件破壞越嚴重,耗散的地震能量越大.

8 結論

1) 粘鋼加固后,箱型橋墩的塑性鉸位置發生了上移,從墩底區域上升到加固鋼板的上邊緣.

2) 與未加固構件相比,加固后墩柱的承載力、極限變形、延性、剛度退化、最大耗能能力等指標得到提高,表明添加新的塑性鉸是一種可行的抗震加固方法.

3) 墩柱滯回曲線的演變過程為直線形—梭形—倒S形;強軸X軸方向的滯回環比較飽滿,而弱軸Y軸方向的滯回環捏縮效應顯著.X軸方向的最大荷載和剛度大于Y軸方向;Y軸方向的延性性能和耗能能力更強,但剛度退化也更嚴重.

4) 由于初始損傷主要集中于底部,而加固可以有效地抵消初始損傷的影響,因此除了較大的初始損傷降低了延性性能外,初始損傷程度對滯回性能的影響不明顯.損傷橋墩可以通過加固有效恢復其性能.

5) 本文模型試驗中鋼板最小厚度為3 mm,相對于混凝土壁厚(70～90 mm)已經比較厚.破壞時,鋼板未屈服,且塑性鉸超出了鋼板加固的區域.因此,本試驗模型中采用的不同加固鋼板厚度(3～5 mm)對加固墩柱的抗震性能幾乎沒有影響.

6) 隨著軸壓比的增加,橋墩的最大恢復力增加,極限位移降低,但延性能力增強,并且耗能增加.隨著長細比的降低,橋墩的最大恢復力增加,極限位移降低,剛度退化情況嚴重,相同側向位移下耗能增加.

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