新型钢筋网格加固铁路重力式桥墩拟静力试验研究

董旭，丁明波，刘正楠，鲁锦华，穆江飞

新型钢筋网格加固铁路重力式桥墩拟静力试验研究

董旭，丁明波，刘正楠，鲁锦华，穆江飞

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

为探究钢筋网格加固铁路重力式桥墩的抗震性能，以铁路重力式圆端形桥墩为原型，采用1:8的比例尺制作2个配筋率为0.2%的桥墩模型，对其中一个模型的墩底薄弱区进行植筋加固，然后对2个模型进行拟静力试验，分析对比2个桥墩模型在加固前后的滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等性能指标。试验结果表明，桥墩模型经过钢筋网格加固后，模型的强度、承载能力、耗能能力和延性有明显的提高，说明钢筋网格加固铁路重力式桥墩方案合理可行。

少筋混凝土；重力式桥墩；拟静力试验；钢筋网格加固

高速铁路在我国经济发展中占据着举足轻重的地位，铁路线的畅通关系到国家战略安全，桥梁作为生命线工程之一，一旦遭遇地震而破坏，会造成重大的经济和社会影响。我国又是一个地震活跃且多发的国家，对已经建成特别是建成时间比较久远已不满足现行抗震规范设计的桥梁进行加固十分必要。目前，对于已建成的铁路重力式桥墩的加固，主要采用外包钢板、外包混凝土、外包碳纤维布等加固方法。陈兴冲等[1−3]通过拟静力试验研究，得到加固后桥墩的承载力提高明显，破坏区域发生转移等结论；范增昱[4]用外包混凝土对桥墩进行加固，得到了承载力提高和耗能增加的结论；张鹏 翔[5]用外包钢板对桥墩墩底薄弱区加固，同样也得到了承载能力和耗能提高的结论；吴刚[6]以兰州东岗立交主线桥墩为原型，用CFRP对桥墩进行加固后得到了强度和承载力提高的结论。针对传统加固方法仅侧重于强度的提高，延性耗能一般很难得到发挥[7-10]，本文提出一种在桥墩墩底薄弱区植入一层钢筋网格，使其兼顾强度和延性耗能的加固方法。以配筋率为0.2%的铁路重力式桥墩进行研究，通过拟静力试验探究钢筋网格加固的效果。加固区域的高度由等效塑性铰区的长度确定[11-13]，参考中国《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02−01−2008)中对应的公式7.4.3-3：p=2/3=167 mm，同时为确保破坏区域不上移，本试验取偏保守值300 mm；根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2013)中15.2.3公式s=0.2spty/bd=106.7 mm及实际施工条件取保守植筋深度 110 mm。植入在承台的竖向钢筋和植入在墩身的水平钢筋以及联系竖向和水平钢筋的横向钢筋焊接形成钢筋网格。根据计算的加固高度及植筋深度及保证实际施工的便利性，拟定加固的水平钢筋间距为100 mm，横桥向和顺桥向加固竖向钢筋间距为133 mm和145 mm，竖向钢筋距桥墩20 mm。为保证钢筋网格的耐久性，对钢筋网格对防锈处理。钻孔、植筋及焊接技术在实际工程中都是比较成熟的技术，保证了其在实际工程中的可行性。网格加固的布置图如图1所示。

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1 试验概述

为了增强试验的对比性，试件依据高速铁路16 m简支桥梁重力式桥墩通用图设计，采用1:8的比例尺，共设计2个配筋率为0.2%的模型试件，编号依次为D1和D2，其中D1是未加固试件，D2是加固试件。2个模型的尺寸和配筋率完全相同。

表1 模型设计各参数的相似系数

通过相似系数，确定墩身模型尺寸为360 mm×250 mm×1 250 mm，纵筋钢筋采用直径为8 mm的HRB335带肋钢筋，箍筋采用直径为6 mm的HPB300光圆钢筋：承台尺寸为800 mm×700 mm×500 mm，钢筋采用φ16螺纹钢。混凝土标号为C30。试件D1及D2示意图如图2和图3所示。

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试验采用伺服液压作动器施加水平推力。试件的底座通过4根直径为32 mm的精轧螺纹杆固定在试验室的地面上，确保在试验过程中底座不会出现滑动；根据相似比，确定墩顶配重为51 kN。

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试验荷载的施加采用力−位移的混合控制制度。试件未开裂时采用力控制，开裂后采用位移控制，从5 mm开始逐级增加，15 mm之前，增幅为2 mm；15 mm之后，增幅为5 mm，每级荷载循环3次。当水平荷载承载力下降到峰值荷载的85%以下或者纵向钢筋被拉断时，认为试件达到极限破坏状态，停止加载并结束试验。

(a) 试验加载俯视图；(b) 试验加载示意图

图5 加载制度图

2 试验结果及分析

2.1 试件拟静力试验现象

2.1.1 试件D1试验现象

试件D1在水平推力达到±14 kN时，试件墩身底部东南角和北侧出现微裂缝，加载方式改为位移控制；墩顶水平位移达到±5 mm时，试件墩底出现长裂缝；墩顶水平位移达到9 mm时，试件墩身底部南侧裂缝贯通；墩顶水平位移达到25 mm时，试件墩身北侧、南侧和东北侧22~23 cm处出现裂缝，墩底混凝土出现轻微剥落；当墩顶水平位移达到40 mm时，试件墩身南侧一根纵向钢筋断裂，墩底西北侧混凝土大块剥落；当墩顶水平位移达到45 mm时，试件北侧一根纵向钢筋断裂，墩底混凝土剥落严重，试验结束。试件D1模型裂缝现象如图6 所示。

2.1.2 试件D2试验现象

试件D2在墩顶水平推力达到±18 kN时，墩身底部南侧出现微裂缝，加载方式改为位移控制；当试件墩顶位移达到±5 mm时，试件墩身5 cm高处出现微裂缝；当墩顶水平位移达到±15 mm时，试件墩身30 cm左右处出现裂缝；当水平位移达到±20 mm时，试件墩身45，34和25 cm处出现裂缝；当墩顶水平位移达到±35 mm时，墩顶混凝土轻微剥落；当墩顶水平位移达到40 mm和45 mm时，墩身混凝土继续剥落，裂缝张开明显；当墩顶水平位移达到55 mm时，D2试件模型墩身北侧一根纵向钢筋断裂，承载能力急剧下降，试验结束。试件D2模型裂缝现象如图7所示。

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2.2 滞回曲线

试件D1和试件D2的滞回曲线如图8和图9所示。从图8和图9可以看出，当试件墩顶位移幅值较小、试件未开裂前，试件D1和D2的滞回曲线基本上呈直线型，刚度基本没有退化，构件的耗能比较小，试件基本处在弹性阶段；随着变形逐渐增大，混凝土表面的裂缝增多，试件的损伤逐渐加重，耗能变大，滞回环的形状从狭窄逐渐过渡成比较丰满的梭形，每循环卸载时出现了残余位移，但是较小，试件进入弹塑性阶段；随着试件墩顶位移的继续增大，滞回环的面积增大，耗能增大，残余位移变大，试件进入屈服阶段；在相同位移幅值下，第2和第3次循环与第1次循环相比，试件的刚度和强度出现退化；当纵向钢筋断裂后，试件的强度和承载能力退化十分明显。

图8 试件D1滞回曲线

图9 试件D2滞回曲线

从图10可以看出，加固后的D2试件的滞回曲线比未加固的D1试件的滞回曲线要饱满，面积要大，在同等位移条件下，D2试件的承载力比D1的要高，表明经过钢筋网格加固的D2试件要比未加固的D1试件的变形能力、抗震耗能能力要好。

图10 试件D1和试件D2滞回曲线对比

图11 试件D1骨架曲线

2.3 骨架曲线

从图11和图12可以看出，试件D1和D2在荷载加载初期，其骨架曲线基本上处于直线，说明试件处于弹性阶段；随着荷载的逐渐增加，试件D1和D2逐渐呈现出弹塑性的变形特征，骨架曲线的斜率降低，但试件的刚度退化不明显；荷载和循环继续增加，试件D1和D2逐渐进入屈服阶段，变形速率增大，骨架曲线斜率趋于零，试件D1和D2表现出明显的刚度退化现象；最后试件D1和D2达到最大承载力状态，承载力衰减，试件达到破坏状态。

图12 试件D2骨架曲线

从图13可以看出，钢筋网格加固试件D2的荷载峰值比未加固试件D1的荷载峰值有了很大程度的提高，而且试件D2的最终破坏位移比试件D1的也要大很多，这表明，试件经过钢筋网格加固后，具有良好的承载能力和延性。

图13 试件D1和试件D2骨架曲线对比

2.4 耗能能力

根据《建筑抗震试验方法规程》JGJ101—2015中的相关规定，试件的耗能能力可以采用试件的力−位移滞回曲线所包围的面积来衡量。能量耗散系数可以采用力−位移滞回曲线中各面积的比值，如图14所示，表达式为：

当试件开裂后，尤其是试件进入屈服阶段后，试件进入非线性阶段，试件的力−位移曲线的面积增大明显，而且耗能能力明显增大。本文取试件破坏前的最后一个完整的滞回环进行计算，其结果见表2所示。

表2 试件的能量耗散系数

从表2中可以看出，加固试件D2的耗能系数和等效黏滞阻尼比要优于未加固试件D1。

2.5 延性系数

延性是指结构或者构件从屈服开始到最大承载力以后，其承载能力却没有明显下降的变形能力。延性在抗震设计中是一个重要的指标。通常用延性系数来表示，即结构或者构件的极限位移与屈服位移的比值；本文中的屈服位移的求法有能量法、PARK法和几何作图法。结果见表3。

从表3可以看出，钢筋网格加固试件D2比未加固试件D1的延性系数要大，说明经过钢筋网格加固后，试件的延性得到了提高。

表3 试件延性系数

3 结论

1) 通过拟静力试验，对比了未加固试件和钢筋网格加固试件，发现加固试件的最大承载力、最大位移显著优于未加固的原始桥墩模型。

2) 通过对比未加固试件和加固试件的加固滞回曲线、骨架曲线和耗能系数，试件经过加固后，其强度、承载力和耗能能力得到了显著的提升，达到了加固的预期目标。

3) 经过钢筋网格加固的桥墩，其延性比原始桥墩提高了18.46%，达到了试验最初所设想的效果。

4) 由试验过程及破坏特点和试验结果可得，在桥墩开裂前，钢筋网格使桥墩强度得到了提高；开裂后植入桥墩的横向钢筋减弱了钢筋网格的纵向受力，使破坏面依旧在墩底区域，达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

国家自然科学基金资助项目(51768036)

丁明波(1975−)，男，山东日照人，副教授，博士，从事桥梁工程、防灾减灾工程、桥梁抗震及加固研究；E−mail：447897524@qq.com

(编辑 涂鹏)