新型鋼筋網格加固鐵路重力式橋墩擬靜力試驗研究

董旭，丁明波，劉正楠，魯錦華，穆江飛

新型鋼筋網格加固鐵路重力式橋墩擬靜力試驗研究

董旭，丁明波，劉正楠，魯錦華，穆江飛

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為探究鋼筋網格加固鐵路重力式橋墩的抗震性能，以鐵路重力式圓端形橋墩為原型，采用1:8的比例尺制作2個配筋率為0.2%的橋墩模型，對其中一個模型的墩底薄弱區進行植筋加固，然后對2個模型進行擬靜力試驗，分析對比2個橋墩模型在加固前后的滯回曲線、骨架曲線和耗能能力等性能指標。試驗結果表明，橋墩模型經過鋼筋網格加固后，模型的強度、承載能力、耗能能力和延性有明顯的提高，說明鋼筋網格加固鐵路重力式橋墩方案合理可行。

少筋混凝土；重力式橋墩；擬靜力試驗；鋼筋網格加固

高速鐵路在我國經濟發展中占據著舉足輕重的地位，鐵路線的暢通關系到國家戰略安全，橋梁作為生命線工程之一，一旦遭遇地震而破壞，會造成重大的經濟和社會影響。我國又是一個地震活躍且多發的國家，對已經建成特別是建成時間比較久遠已不滿足現行抗震規范設計的橋梁進行加固十分必要。目前，對于已建成的鐵路重力式橋墩的加固，主要采用外包鋼板、外包混凝土、外包碳纖維布等加固方法。陳興沖等[1?3]通過擬靜力試驗研究，得到加固后橋墩的承載力提高明顯，破壞區域發生轉移等結論；范增昱[4]用外包混凝土對橋墩進行加固，得到了承載力提高和耗能增加的結論；張鵬 翔[5]用外包鋼板對橋墩墩底薄弱區加固，同樣也得到了承載能力和耗能提高的結論；吳剛[6]以蘭州東崗立交主線橋墩為原型，用CFRP對橋墩進行加固后得到了強度和承載力提高的結論。針對傳統加固方法僅側重于強度的提高，延性耗能一般很難得到發揮[7-10]，本文提出一種在橋墩墩底薄弱區植入一層鋼筋網格，使其兼顧強度和延性耗能的加固方法。以配筋率為0.2%的鐵路重力式橋墩進行研究，通過擬靜力試驗探究鋼筋網格加固的效果。加固區域的高度由等效塑性鉸區的長度確定[11-13]，參考中國《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02?01?2008)中對應的公式7.4.3-3：p=2/3=167 mm，同時為確保破壞區域不上移，本試驗取偏保守值300 mm；根據《混凝土結構加固設計規范》(GB50367—2013)中15.2.3公式s=0.2spty/bd=106.7 mm及實際施工條件取保守植筋深度 110 mm。植入在承臺的豎向鋼筋和植入在墩身的水平鋼筋以及聯系豎向和水平鋼筋的橫向鋼筋焊接形成鋼筋網格。根據計算的加固高度及植筋深度及保證實際施工的便利性，擬定加固的水平鋼筋間距為100 mm，橫橋向和順橋向加固豎向鋼筋間距為133 mm和145 mm，豎向鋼筋距橋墩20 mm。為保證鋼筋網格的耐久性，對鋼筋網格對防銹處理。鉆孔、植筋及焊接技術在實際工程中都是比較成熟的技術，保證了其在實際工程中的可行性。網格加固的布置圖如圖1所示。

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1 試驗概述

為了增強試驗的對比性，試件依據高速鐵路16 m簡支橋梁重力式橋墩通用圖設計，采用1:8的比例尺，共設計2個配筋率為0.2%的模型試件，編號依次為D1和D2，其中D1是未加固試件，D2是加固試件。2個模型的尺寸和配筋率完全相同。

表1 模型設計各參數的相似系數

通過相似系數，確定墩身模型尺寸為360 mm×250 mm×1 250 mm，縱筋鋼筋采用直徑為8 mm的HRB335帶肋鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm的HPB300光圓鋼筋：承臺尺寸為800 mm×700 mm×500 mm，鋼筋采用φ16螺紋鋼。混凝土標號為C30。試件D1及D2示意圖如圖2和圖3所示。

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試驗采用伺服液壓作動器施加水平推力。試件的底座通過4根直徑為32 mm的精軋螺紋桿固定在試驗室的地面上，確保在試驗過程中底座不會出現滑動；根據相似比，確定墩頂配重為51 kN。

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試驗荷載的施加采用力?位移的混合控制制度。試件未開裂時采用力控制，開裂后采用位移控制，從5 mm開始逐級增加，15 mm之前，增幅為2 mm；15 mm之后，增幅為5 mm，每級荷載循環3次。當水平荷載承載力下降到峰值荷載的85%以下或者縱向鋼筋被拉斷時，認為試件達到極限破壞狀態，停止加載并結束試驗。

(a) 試驗加載俯視圖；(b) 試驗加載示意圖

圖5 加載制度圖

2 試驗結果及分析

2.1 試件擬靜力試驗現象

2.1.1 試件D1試驗現象

試件D1在水平推力達到±14 kN時，試件墩身底部東南角和北側出現微裂縫，加載方式改為位移控制；墩頂水平位移達到±5 mm時，試件墩底出現長裂縫；墩頂水平位移達到9 mm時，試件墩身底部南側裂縫貫通；墩頂水平位移達到25 mm時，試件墩身北側、南側和東北側22~23 cm處出現裂縫，墩底混凝土出現輕微剝落；當墩頂水平位移達到40 mm時，試件墩身南側一根縱向鋼筋斷裂，墩底西北側混凝土大塊剝落；當墩頂水平位移達到45 mm時，試件北側一根縱向鋼筋斷裂，墩底混凝土剝落嚴重，試驗結束。試件D1模型裂縫現象如圖6 所示。

2.1.2 試件D2試驗現象

試件D2在墩頂水平推力達到±18 kN時，墩身底部南側出現微裂縫，加載方式改為位移控制；當試件墩頂位移達到±5 mm時，試件墩身5 cm高處出現微裂縫；當墩頂水平位移達到±15 mm時，試件墩身30 cm左右處出現裂縫；當水平位移達到±20 mm時，試件墩身45，34和25 cm處出現裂縫；當墩頂水平位移達到±35 mm時，墩頂混凝土輕微剝落；當墩頂水平位移達到40 mm和45 mm時，墩身混凝土繼續剝落，裂縫張開明顯；當墩頂水平位移達到55 mm時，D2試件模型墩身北側一根縱向鋼筋斷裂，承載能力急劇下降，試驗結束。試件D2模型裂縫現象如圖7所示。

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2.2 滯回曲線

試件D1和試件D2的滯回曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，當試件墩頂位移幅值較小、試件未開裂前，試件D1和D2的滯回曲線基本上呈直線型，剛度基本沒有退化，構件的耗能比較小，試件基本處在彈性階段；隨著變形逐漸增大，混凝土表面的裂縫增多，試件的損傷逐漸加重，耗能變大，滯回環的形狀從狹窄逐漸過渡成比較豐滿的梭形，每循環卸載時出現了殘余位移，但是較小，試件進入彈塑性階段；隨著試件墩頂位移的繼續增大，滯回環的面積增大，耗能增大，殘余位移變大，試件進入屈服階段；在相同位移幅值下，第2和第3次循環與第1次循環相比，試件的剛度和強度出現退化；當縱向鋼筋斷裂后，試件的強度和承載能力退化十分明顯。

圖8 試件D1滯回曲線

圖9 試件D2滯回曲線

從圖10可以看出，加固后的D2試件的滯回曲線比未加固的D1試件的滯回曲線要飽滿，面積要大，在同等位移條件下，D2試件的承載力比D1的要高，表明經過鋼筋網格加固的D2試件要比未加固的D1試件的變形能力、抗震耗能能力要好。

圖10 試件D1和試件D2滯回曲線對比

圖11 試件D1骨架曲線

2.3 骨架曲線

從圖11和圖12可以看出，試件D1和D2在荷載加載初期，其骨架曲線基本上處于直線，說明試件處于彈性階段；隨著荷載的逐漸增加，試件D1和D2逐漸呈現出彈塑性的變形特征，骨架曲線的斜率降低，但試件的剛度退化不明顯；荷載和循環繼續增加，試件D1和D2逐漸進入屈服階段，變形速率增大，骨架曲線斜率趨于零，試件D1和D2表現出明顯的剛度退化現象；最后試件D1和D2達到最大承載力狀態，承載力衰減，試件達到破壞狀態。

圖12 試件D2骨架曲線

從圖13可以看出，鋼筋網格加固試件D2的荷載峰值比未加固試件D1的荷載峰值有了很大程度的提高，而且試件D2的最終破壞位移比試件D1的也要大很多，這表明，試件經過鋼筋網格加固后，具有良好的承載能力和延性。

圖13 試件D1和試件D2骨架曲線對比

2.4 耗能能力

根據《建筑抗震試驗方法規程》JGJ101—2015中的相關規定，試件的耗能能力可以采用試件的力?位移滯回曲線所包圍的面積來衡量。能量耗散系數可以采用力?位移滯回曲線中各面積的比值，如圖14所示，表達式為：

當試件開裂后，尤其是試件進入屈服階段后，試件進入非線性階段，試件的力?位移曲線的面積增大明顯，而且耗能能力明顯增大。本文取試件破壞前的最后一個完整的滯回環進行計算，其結果見表2所示。

表2 試件的能量耗散系數

從表2中可以看出，加固試件D2的耗能系數和等效黏滯阻尼比要優于未加固試件D1。

2.5 延性系數

延性是指結構或者構件從屈服開始到最大承載力以后，其承載能力卻沒有明顯下降的變形能力。延性在抗震設計中是一個重要的指標。通常用延性系數來表示，即結構或者構件的極限位移與屈服位移的比值；本文中的屈服位移的求法有能量法、PARK法和幾何作圖法。結果見表3。

從表3可以看出，鋼筋網格加固試件D2比未加固試件D1的延性系數要大，說明經過鋼筋網格加固后，試件的延性得到了提高。

表3 試件延性系數

3 結論

1) 通過擬靜力試驗，對比了未加固試件和鋼筋網格加固試件，發現加固試件的最大承載力、最大位移顯著優于未加固的原始橋墩模型。

2) 通過對比未加固試件和加固試件的加固滯回曲線、骨架曲線和耗能系數，試件經過加固后，其強度、承載力和耗能能力得到了顯著的提升，達到了加固的預期目標。

3) 經過鋼筋網格加固的橋墩，其延性比原始橋墩提高了18.46%，達到了試驗最初所設想的效果。

4) 由試驗過程及破壞特點和試驗結果可得，在橋墩開裂前，鋼筋網格使橋墩強度得到了提高；開裂后植入橋墩的橫向鋼筋減弱了鋼筋網格的縱向受力，使破壞面依舊在墩底區域，達到了在大震下耗能的目的。

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Quasi-static test study on railway gravity pier strengthened with steel mesh

DONG Xu, DING Mingbo, LIU Zhengnan, LU Jinhua, MU Jiangfei

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to explore the seismic performance of railway gravity piers strengthened with steel mesh, the railway gravity type round-end bridge piers were used as prototypes, and two pier models with reinforcement ratio of 0.2% were made on the scale of 1:8. The weak area of the bottom of one model is strengthened by planting reinforcing bars. Then, the quasi-static tests of the two models are carried out to analyze and compare the hysteretic loop curve, skeleton curve and energy dissipation capacity of the two pier models before and after reinforcement. The test results show that the strength, bearing capacity, energy dissipation capacity and ductility of the pier model have been significantly improved after reinforcement with steel mesh, which also shows the rationality of the reinforcement scheme for railway gravity pier.

rare-reinforcement concrete; gravity type pier; quasi-static test; strengthened with steel mesh

U442.55；U448.217

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0908 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190596

2019?07?02

國家自然科學基金資助項目(51768036)

丁明波(1975?)，男，山東日照人，副教授，博士，從事橋梁工程、防災減災工程、橋梁抗震及加固研究；E?mail：447897524@qq.com

(編輯 涂鵬)