用新型箍筋(S-Clip)的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究

王丽欣，杨 钊，王海超，小原孝之

(1.中交二航局 第六工程分公司，武汉 434000;2.中交二航局 技术中心，武汉 430040;3.矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室(山东科技大学)，青岛 266510;4.前田建设工业株式会社，东京 1028151;5.清华大学 水利水电工程系，北京 100084)

为适应交通运输业的迅速发展，需要建造大量的公路铁路桥梁。现有的公路和铁路桥梁建设，普遍采用的桥墩类型是单柱式桥墩。桥墩是桥梁结构中最重要的构件，尤其是在遭受地震作用后，会出现由于桥墩破坏而导致整个桥梁的严重破坏甚至倒塌，这已经成为桥梁震害的主要破坏特征。资料表明［1-4］，在历次的大地震中，钢筋混凝土柱式桥墩均遭受了严重的破坏。其破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏两种，弯曲破坏属延性破坏，多表现为开裂、混凝土剥落、压溃、钢筋裸露和弯曲等，并会产生很大的塑性变形。剪切破坏是脆性的，发生破坏的同时构件的强度和刚度将急剧下降。Abdelkareem和Machida［5］分析了造成柱式桥墩破坏的原因，发现其破坏主要源于设计和构造两方面的缺陷。设计方面的缺陷包括:桥墩柱的延性和抗剪强度设计不足，主要表现为横向约束箍筋配置不足。要改善这一状况，多配箍筋会造成材料的浪费，且会带来施工方面的困难。因此，人们开始研究改变箍筋的配筋形式，使得钢筋混凝土桥墩柱不仅能够保证延性和抗剪强度，而且可以充分发挥材料的力学性能。现在钢筋混凝土桥墩柱中普遍配置的复合箍筋，就是一种有效的构造配筋方式。

根据国内外实验及理论研究的结果，影响桥墩抗震性能的主要因素有:混凝土强度、纵筋配筋率、配箍率、剪跨比、轴压比以及箍筋形式等。刘庆华［6］、阎贵平［7］等人根据我国现有的实际条件，对于轴压比和剪跨比对桥墩抗震性能和破坏形态的影响进行了研究。在国外，川岛一彦等人［9-10］对钢筋混凝土桥墩柱抗震性能的影响因素进行了试验研究。上述研究中，在箍筋形式对于桥墩抗震性能的影响方面研究的较少。在国外，对于箍筋形式的研究［11-13］中，一般的箍筋形式优点并不明显，甚至有的加工麻烦，而且成本高，抗震性能也未能有明显的提高。在国内，桥墩柱的箍筋形式只是局限于井字复合箍筋，新型配筋形式的研究非常少见。

在钢筋混凝土结构设计中，箍筋的作用不容忽视。良好的箍筋形式和足够的配箍量，可以有效地约束柱核心区的混凝土，提高混凝土的极限压应变。箍筋还可以帮助柱塑性铰区的混凝土抗剪，并为纵筋提供侧向支撑，防止纵筋过早压屈，从而提高了桥墩柱的塑性变形能力和抗剪承载力。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)的规定，需要在柱内按计算或者构造要求设置复合箍筋，但这种箍筋形式存在一定的问题。例如，对于截面较大的钢筋混凝土桥墩柱，利用复合箍筋的配筋方式非常复杂，施工难度大，用钢量多。为改善这一现状，清华-前田先进建设技术研究中心提出一种新型的配筋方式，在确保钢筋混凝土结构受剪承载力和延性要求的情况下，以期提高工程质量和施工速度。为验证这种新型箍筋的有效性，制作了大尺寸钢筋混凝土柱式试件，进行了低周反复加载试验，研究了分别配制复合箍筋和新型箍筋的两种桥墩柱的抗震性能。

图1所示即为本文研究中提及的箍筋形式，我们将这种形式的钢筋命名为S-Clip钢筋，用这种形状的钢筋代替试件截面中间部分的箍筋。具体方案是:预先将钢筋中的纵向钢筋和水平箍筋绑扎好，形成钢筋骨架，然后从钢筋骨架的外侧安装S-Clip钢筋。

图1 S-Clip形状示意图Fig.1 Schematic diagram of S-Clip

1 试验概况

1.1 模型设计

该试验共设计四个钢筋混凝土矩形柱，分别命名为A，AS，B，BS。试验模型按纵向钢筋配筋率不同分为两组，每组两个试件，分别编号为A、AS、B和BS。试件A和B为一般配筋的基准试件，中间设置井字复合箍筋。AS和BS为设置S-Clip钢筋的试件，并分别为试件A和B的对比试件。为了能更好地反映试件的实际变形情况，采用大尺寸模型。本次试验采用的钢筋混凝土柱模型尺寸为700 mm×700 mm×3000 mm，基础底板尺寸为1800 mm×3000 mm×950 mm。试件尺寸及配筋形式见图2。根据我国实际工程的设计经验，纵向钢筋的配筋率最小采用0.78%，最大为2%［14］。因此我们采用的纵向钢筋配筋率为:A，AS试件1.061%，B，BS试件1.566%。详细的试验参数列于表1。

表1 各试件参数列表Tab.1 Parameters of specimens

图2 基本试件尺寸及配筋详图Fig.2 Basic dimensions of specimens and detailed drawing of reinforcement

1.2 试验装置

轴向荷载采用1000 kN液压千斤顶，固定在加载钢架上;竖向千斤顶与固定在加载钢架上的滑动小车相连，下部与放在柱顶部的球铰相连，这样可以保证柱顶发生水平位移时，轴向力能够一直保持垂直。水平荷载采用1000 kN拉压千斤顶，行程600 mm，固定在钢筋混凝土反力墙上。水平荷载传感器的一端通过球铰与水平千斤顶相连，另一端也通过球铰与柱上端的加载钢板连接。这样在施加水平荷载时，可以使水平作用力保持水平。

1.3 加载制度

参照文献［15］确定加载制度。首先，在柱顶施加竖向荷载至给定的轴压力，并通过与传感器相连的静态应变仪控制其为常值，然后施加水平荷载。施加的水平荷载分别采用力控制和位移控制，具体的过程为:试件屈服以前采用力控制，屈服以后采用位移控制，以试件屈服位移δy的倍数控制循环加载，并分别在每级位移下进行3次往复循环加载。当试件的承载力下降至屈服荷载的80%时，整个试验终止。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态及破坏过程分析

从采集到的箍筋应变测量数据看，各柱均有一部分箍筋屈服;从试验过程中可以观察到，试件表面出现多条明显的斜向裂缝，水平承载力降低的主要原因是纵向钢筋的屈曲或者断裂。各试件的破坏模式不是纵筋屈服后的剪切破坏，而是由于纵筋屈曲或断裂而发生的“弯曲破坏”。这四个试件的破坏形态相同，均为弯曲破坏模式。

在循环加载过程中，首先在柱的根部出现侧面的水平裂缝;随着荷载的增加，侧面水平裂缝向正面延伸，发展缓慢，且有部分水平裂缝开始朝斜向发展;继续加大荷载，斜裂缝发展缓慢，水平裂缝发展迅速，直至在柱的根部贯通;进一步施加循环荷载，在柱根部的混凝土裂缝增多且出现鼓出现象;当位移到达一定数值时，柱根部混凝土局部压溃，纵筋屈曲外鼓;继续反复循环加载，两侧钢筋相继出现断裂，试件的承载能力迅速下降并宣告破坏。弯曲型破坏模式的破坏过程较为缓慢，延性较好，配有S-Clip钢筋试件的延性略有提高。

2.2 试验结果

测试试件的屈服荷载、极限荷载如表2所示。从表中可以看出，试件正负方向上屈服荷载和极限荷载均有一定的差别，这主要是与第一次加载的方向有关，后加载时试件的刚度存在一定的损伤，使正负两个方向初始加载的条件不同。普通箍筋形式和新型箍筋形式相比，承载力相差不大。但是，B，BS柱的承载力远高于A，AS柱，这是因为B柱的纵筋配筋率高于A柱。可见，纵筋配筋率是影响试件承载力的主要因素。

表2 荷载试验结果Tab.2 The result of loading test

3 抗震性能分析

3.1 滞回曲线

低周反复荷载作用下的滞回曲线能综合反映钢筋混凝土试件的刚度、承载力、变形能力和耗能能力。根据试验采集的水平力及其作用位置的水平位移绘制出了实测的滞回曲线。

图3为四个试件的水平荷载-位移滞回曲线。从各滞回曲线可以看出试件的滞回曲线均比较饱满，表明试件有比较大的耗能能力。对比分析A柱和AS柱，B柱和BS柱的滞回曲线，可以发现配置S-Clip钢筋的试件的滞回环相对饱满，中部捏拢程度较轻。而且，配置S-Clip钢筋的试件与基准试件所包围的面积相比，前者包围的面积稍大一些，说明其耗能性能相对好一些。

图3 各试件的滞回曲线Fig.3 Experimental hysteresis curves of every specimen

3.2 骨架曲线

在低周反复荷载试验所得滞回曲线中，取每一级荷载第一次循环的峰点(卸载顶点)连接的包络线作为骨架曲线，它是每次循环的荷载-变形曲线达到最大峰点的轨迹。图4即为四个试件的水平荷载-位移骨架曲线对比图。从骨架曲线来看，在整个加载过程中，A和AS，B和BS的承载能力和变形性能相差不多，骨架曲线都有明显的下降段，说明延性很好。但是，在达到最大承载力后，AS柱比A柱、BS柱比B柱的承载力都下降得较为缓慢，说明新型箍筋对混凝土和纵筋的约束性能更好，配置新型箍筋的钢筋混凝土柱的延性也更好。

图4 水平荷载-位移骨架曲线Fig.4 Load versus displacement envelope curves

试件耗能能力的大小，可通过实测的骨架曲线下所包围面积的大小来定性的分析。骨架曲线所包围的面积大，说明试件消耗的能量大，耗能能力强;反之，骨架曲线所包围的面积小，说明试件消耗的能量少，耗能能力弱。由图4可知，配置新型箍筋的钢筋混凝土柱的骨架曲线处于外侧，因此其耗能能力比配置复合箍筋的钢筋混凝土柱略强。

3.3 延性

延性是指材料或构件承受荷载直至破坏过程中吸收能量的能力。是用来描述钢筋混凝土结构构件非弹性变形的能力的。根据日本桥梁规范，延性率指构件在经受10次来回的循环加载实验后，不低于屈服点的极限位移与屈服位移的比值。文献［16］给出了详细的计算构件延性率的方法。作者根据此计算方法对四个试件进行延性设计，计算出试件的屈服位移δy、极限位移δu以及构件的延性率δu/δy。具体结果如表3所示。

由表3中可知:配置新型箍筋的钢筋混凝土柱和普通配筋的钢筋混凝土柱延性率相差不大。

表3 位移和延性率计算值Tab.3 The value of displacement and ductility ratio

在国内，评价钢筋混凝土构件延性的参数之一称为位移延性系数。位移延性系数是指最大位移与屈服位移之比［17］。通过试验，四个试件的位移试验实测值和位移延性系数的计算值见表4。表中位移指与水平加载点同一高度处的相应水平位移。其中:δy为屈服位移;δu为最大位移;δu/δy为位移延性系数(同日本桥梁规范中所提及的延性率)。

分析表4中的数据可知，试件A和试件AS，试件B和试件BS的屈服位移、极限位移及位移延性系数都非常接近，说明配置S-Clip钢筋的试件和普通配筋的试件延性相差不多，结论与按规范计算结果基本相符。

表4 位移实测值和位移延性系数计算值Tab.4 The measured value and the calculated value of displacement ductility ratio

4 结论

(1)配有S-Clip钢筋的钢筋混凝土桥墩柱，与普通试件比较，多一个低周循环，而且滞回曲线相对饱满，耗能能力有所提高。且破坏截面的高度范围略小，说明纵向受力钢筋受到了充分的约束，压曲的钢筋长度有所减小，比较充分的发挥了钢筋的承载能力。

(2)试验表明S-Clip钢筋很好地起到了约束内部混凝土和纵向受力钢筋的作用，充分发挥了材料的性能，试件的延性略有提高。

(3)箍筋的配筋率、配筋方法都影响到纵向钢筋的性能，也影响到钢筋混凝土结构的性能。A试件与B试件的箍筋约束力不高，纵筋容易屈曲，屈曲之后，纵筋的能量吸收能力减低，包络曲线形状接近S型形状。而且屈曲之后，钢筋对混凝土的约束力降低，混凝土损伤严重。配有S-Clip钢筋的试件由于箍筋约束力比较强，有效防止了纵筋屈曲，使得纵筋吸收能量的能力增高，包络曲线的形状是纺锤形。同时钢筋对混凝土的约束力也变高，使得混凝土的损伤变低。总之，箍筋的约束力影响到纵筋的性能与混凝土的损伤情况。

(4)研究表明，采用S-Clip钢筋的柱，无论在工艺水平、降低工程成本、提高工程质量等方面都有比较明显的优点，试件的抗震性能也略高于普通配筋的试件。该项技术的研究，对工程结构理论和应用技术的发展有着重要的作用，具有广泛的应用前景。

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