動力荷載下城市主干道高架橋結構抗震性能研究

楊尚

(湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙 410004)

中國地震災害頻發，對房屋建筑及交通工程安全的影響很大，尤其是高空建筑和高架橋梁。為改善房屋工程、交通工程中鋼筋砼結構的抗震性能，學者們提出利用改良砼、CFRP加筋等方案，如高傳超等利用新型波紋側板方鋼管加固砼柱，指出新型復合材料的滯回曲線較常規鋼筋砼更飽滿，耗能性能更佳；何國瑞等利用數值模擬分析方法對鋼管-珊瑚-砼柱展開抗震性能研究，發現其具有更好的抗震性能；賀學軍等指出采用自鎖碳纖維布對鋼筋砼結構進行加固，能有效緩沖結構核心區縱筋的黏結滑移，改善結構的抗震耗能性能。但對于利用多重復合鋼筋配置提升鋼筋砼柱抗震性能的研究較少。該文依托湖南省長沙市芙蓉大道快速化改造工程，通過室內低周反復荷載試驗對多芯高強鋼筋砼柱展開抗震性能研究，并對不同配筋率和不同軸壓比條件下砼芯柱的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化特征及能耗特征進行分析，研究配置方式對高強鋼筋砼柱抗震性能的提升效果。

1 工程概況

長沙市芙蓉大道快速化改造工程見圖1。根據工程現場勘察及相關資料，該項目非涉鐵段樁號為K3+700—K5+000、K9+500—K16+520，長8.32 km，施工內容包括道路工程、隧道工程、橋梁工程、交通工程、排水工程、交叉工程、照明工程、景觀亮化和綠化工程、涉鐵保護、臨時工程、部分管線遷改工程等。標段內共設置橋梁2座、632.38 m，雙向六車道，橋面寬24.0 m，橫斷面布置形式為0.5 m防撞護欄+11.25 m機動車道+0.5 m中央隔離護欄+11.25 m機動車道+0.5 m防撞護欄。根據長沙地震局調查結果，長沙在過去50年共計發生288次大大小小的地震。受車輛荷載振動的影響，橋梁也易發生破壞。因此，研究振動荷載下橋梁的動力響應特征具有重要意義。

圖1 長沙市芙蓉大道快速化改造項目

2 模型試驗設計

2.1 試樣制備

采用強度等級為C50的商品砼、HRB400級鋼筋作為基礎材料制備多芯高強鋼筋砼柱試件，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》分別對砼和鋼筋原材料展開基礎力學性能試驗，得到砼的平均立方體抗壓強度為54.3 MPa。共設計4種不同高強度砼多重復合芯柱，鋼筋砼柱底部截面梁尺寸為700 mm×600 mm，高1 400 mm，頂部截面尺寸為400 mm×400 mm，內芯半徑為140 mm。根據相關規范，計算得到不同砼芯柱的箍筋間距、配筋率及軸壓比等參數(見表1)。

表1 多芯鋼筋砼柱的設計參數

2.2 試驗設備與流程

試驗研究對象為不同配筋率、不同軸壓比下鋼筋砼柱。利用MTS150液壓伺服設備進行加載，該設備最大可實現2 000 kN軸向加載；利用MTS作動器對鋼筋砼柱的變形進行監測，同時在試件表面及箍筋表面粘貼應變片并利用東華公司應變儀進行監測(見圖2)。試驗采用位移控制模式對鋼筋砼柱進行分級增量振動加載，每級荷載下振蕩次數為1個循環，其中第一級荷載為2 mm，每級增量為2 mm，直到總位移達到10 mm，此后將每級加載的位移差調整至10 mm并繼續逐級加載。荷載超過峰值荷載點并再次達到峰值荷載的85%時停止試驗，整理試驗數據。

圖2 試驗設備

3 試驗結果與分析

3.1 滯回曲線特征分析

圖3為高強砼多芯柱抗震試驗滯回曲線。由圖3可知：在分級加載振動試驗條件下，多芯鋼筋砼柱的滯回曲線均表現出典型的砼柱結構滯回曲線特征，滯回曲線整體呈“梭”形，飽滿度較高，無明顯“捏攏”現象；鋼筋砼柱具有較強的塑性變形能力，結構的低周反復荷載試驗性能好，能較好地吸收地震荷載產生的能量；軸壓比對砼芯柱滯回曲線特征的影響明顯，高軸壓比試件的承載能力更強，但其滯回環面積較小，表明高軸壓比條件下多芯鋼筋砼柱的承載力提高但抗震性能變差。

圖3 各砼芯柱滯回曲線

3.2 骨架曲線分析

圖4為不同配置方式的多芯鋼筋砼構件的骨架曲線，表2 為試件特征點試驗結果。由圖4、表2可知：鋼筋砼柱在彈性階段后其骨架曲線呈線性，而達到鋼筋的屈服點后，構件內部鋼筋開始屈服，構件整體仍然持續硬化，荷載水平依舊提高；隨著荷載的持續增大，構件整體達到峰值，構件端部砼開始破裂、剝落，鋼筋砼構件整體承載力開始下降。隨著配筋的增加，鋼筋砼柱構件的承載能力與變形能力均逐漸增強，其峰值荷載與極限變形不斷增大，但提升幅度較小，表明多重復合芯對鋼筋砼柱的力學性能具有一定提升作用；高軸壓比條件下鋼筋砼柱試件的承載力明顯增大，相對與同配筋率的試件其峰值荷載提高37.73%，但塑性變形能力隨軸壓比增大而降低，極限位移相對降低34.90%。

圖4 各砼芯柱骨架曲線

表2 各砼芯柱特征點試驗結果

3.3 剛度退化特征分析

圖5為不同鋼筋砼柱構件的剛度退化曲線。由圖5可知：在加載初期，鋼筋砼柱的剛度迅速下降，在振動荷載作用下，砼產生很大橫向變形，鋼筋砼柱表面產生剝落，構件內部產生一定程度裂隙且損傷程度不斷提高。隨著損傷程度的提高，構件剛度退化速率不斷降低。配筋對鋼筋砼柱構件的初始相對剛度產生一定影響，隨著鋼筋砼柱配筋率的增大，初始剛度逐漸降低；在整個試驗過程中，低配筋率的多芯鋼筋砼柱的剛度始終低于高配筋率的多芯鋼筋砼柱。軸壓比對多芯高強鋼筋砼柱剛度的影響大于配筋率的影響，高軸壓比試件的剛度大幅高于低軸壓比試件。

圖5 各砼芯柱剛度退化曲線

4 結論

(1)多芯鋼筋砼柱的滯回曲線整體呈“梭”形，飽滿度較高，鋼筋砼柱具有較強的塑性變形能力，結構的低周反復荷載試驗性能好，能較好地吸收地震荷載產生的能量。

(2)隨著軸壓比的增大，多芯鋼筋砼柱試件的承載能力增強，抗壓強度相對提高37.73%；塑性變形能力降低，極限位移相對減小34.90%；滯回曲線的滯回環面積變形減小，抗震性能降低。

(3)多芯高強鋼筋砼柱的剛度隨配筋率增大而增大，但增幅較小；高軸壓比砼芯柱的剛度大幅高于低軸壓比砼芯柱。多芯鋼筋砼柱剛度隨位移增大不斷減小，且減小速度趨于平穩。