钢管混凝土组合桥墩和钢筋混凝土桥墩抗震性能对比研究

张小龙,田 甜

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200)

钢管混凝土组合柱[1]是一种在钢筋混凝土柱的截面核心配置圆钢管而成的柱，目的是通过核心钢管对钢筋混凝土柱的约束及钢管对柱子的加强作用，从而克服传统混凝土柱子延性差、强度低等缺点，增强和改善高层整体延性和抗震性能[2]。 此后近二十年的时间，针对高层框架柱的特点，我国学者围绕组合柱的力学性能和设计理论进行了一系列研究[3-8]，并取得了丰富的研究成果，成功地指导了诸如辽宁邮政枢纽工程、深圳皇岗世纪中心、南京交通大厦等工程项目的设计与施工[9]。

震害资料调查表明，地震发生时，钢筋混凝土桥墩由于弯曲及剪切能力不足而破坏，继而导致落梁、垮塌等严重震害[10-12]。在此背景下，文献[13-14]提出将组合柱作为梁式桥的桥墩，提高桥墩的抗剪强度和变形能力，避免桥墩在地震作用下的两种典型震害。然而目前，关于钢管混凝土组合桥墩抗震性能的研究工作尚处于起步阶段，为推广这一新型桥墩的工程应用，本文通过四个桥墩试件的拟静力试验，探讨了该新型桥墩相对于传统桥墩的抗震性能优势，对比分析了弯曲破坏和弯剪破坏下两类桥墩各项抗震性能指标之间的差异。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验设计了两组4个圆形截面桥墩试件，试件的主要参数汇总见表1。编号STRC-01、STRC-02试件为2个钢管混凝土组合桥墩，编号PTRC-01、PTRC-02为2个钢筋混凝土桥墩试件。两组试件编号相对应的两类试件其几何尺寸和配筋完全相同，唯一差别为墩身内是否设置核心钢管。试件的构造和配筋如图1所示，墩柱截面直径均为300 mm，剪跨比λ=3.0与λ=2.0的试件水平力加载点高度分别为900 mm和600 mm。桥墩截面沿圆周均匀布置8根Φ12的HRB400级纵筋；螺旋箍筋采用Φ8的HPB300级钢筋，箍筋间距为70 mm；组合桥墩试件STRC-01、STRC-02内置Q345核心钢管，规格为Φ102x4 mm，钢管在墩身内的埋置长度与水平力加载点同高，钢管伸入底座长度为450 mm。试验轴压比0.15对应的竖向力284 kN施加于各个试件墩顶。

表1 试件结构参数汇总

图1 试件尺寸及配筋图(单位：mm)

浇筑C40桥墩试件时，同时制作3个边长150 mm立方体试块，并与桥墩试件同条件养护，养护结束测得3个试块强度不小于45 MPa；试验时分别对核心钢管、HP300钢筋及HRB400钢筋取样进行力学性能实测，具体实测力学性能汇总见表2。

表2 材料性能表

1.2 试验方案

本次试验的加载装置采用悬臂式加载，试件底部为嵌固在地面上，顶部为自由端。试验方案见表3。

表3 试验方案

1.3 数据采集

试验过程中根据需要采集桥墩试件变形、应变、内力及桥墩裂缝发展情况。千斤顶加载处的位移及位移、墩底应变和墩身变形由试验系统自动采集。墩身的裂缝长度、倾角和宽度等需要人工通过工具量测并记录。

2 试验现象

从试验过程和破坏特征来看，4个桥墩试件在竖向力和水平往复作用下的破坏模式有弯曲破坏和弯剪破坏两类。图2给出了各试件的最终破坏形态，图中墩身水平标记线的间距为10 cm。

图2 试件的破坏形态和裂缝分布

(1) 剪跨比λ=3.0的试件发生弯曲破坏：水平位移Δ=4 mm时，墩底以上500 mm范围内出现3条～4条细微裂缝；继续加大荷载，裂缝呈现出数量多、间距加密特点；Δ=8 mm时两根纵筋受拉屈服；Δ=12 mm时核心钢管受拉屈服；此后，裂缝数量保持不变，裂缝宽度不断加大。Δ=24 mm时，试件的水平承载力达到峰值，此时墩底混凝土在压、拉反复作用下开始起皮、掉渣，并出现若干竖向受压裂缝；Δ=36 mm时，墩底区域损伤逐渐加重，有呈片状或小块状的混凝土保护层开始从墩身剥落，且随着试验循环次数增加和水平位移增大，混凝土剥落区范围加大，剥落深度加深；Δ=48 mm时，墩底损伤区域不断加深加重，大块混凝土保护层被压碎、剥落，墩底区域钢筋骨架外露；Δ=60 mm或72 mm时，纵筋弯折，反复几次，构件丧失水平承载力，试验结束。

(2) 剪跨比λ=2.0的试件发生弯剪破坏，其破坏过程可归纳如下：加载初期在墩底出现细微裂缝，随水平位移增大，裂缝向墩身两侧发展。当水平位移增大到一定程度，墩底出现钢管和纵筋受拉屈服，保护层混凝土少量剥落的塑性区。随着水平位移继续增大及循环次数增多，塑性区混凝土不断剥落，导致抗剪面积不断减小，当压弯区主应力达到极限强度而失去承载力，桥墩的水平承载力随位移延性的增加逐渐降低。临近破坏时，墩底塑性铰区的斜裂缝发育比较充分，形成较明显的剪切面，这也是与弯曲破坏最本质的区别。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

本次试验各试件的实测滞回曲线如图3所示，图中P、Δ分别为水平作用施加点处的荷载和位移。从图3中可见：4个试件在初始加载时，滞回曲线基本呈现线性特征，随着水平位移不断增加，试件工作状态逐渐由弹性变为塑性，混凝土开裂、钢材屈服以及核心钢管与混凝土界面之间粘结裂缝的滋生和扩展，使得墩身的侧向刚度不断减小，加、卸载曲线逐渐偏向位移轴，滞回环所围成的面积明显增加；最大荷载过后，墩身损伤积累，试件刚度和强度退化加剧，研究发现：钢筋混凝土桥墩试件的滞回曲线瘦小，有明显的捏缩、滑移效应，耗能和变形能力差，总体表现出较差的抗震性能；组合桥墩滞回环面积较大，强度和刚度退化小，抗震性能较好。另外，在墩身内埋置核心钢管后，纵筋首次疲劳断裂所在的位移循环有所延迟，且纵筋被拉断后，钢管能使组合桥墩能够继续承担部分荷载。以上所述表明，组合桥墩试件具有优越于钢筋混凝土桥墩试件的滞回性能。

3.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线[15]见图4。由图4中可见，编号相对应的两类桥墩试件在墩身开裂前的刚度基本相等，这表明内置核心钢管对桥墩的初始弹性刚度影响甚微，但核心钢管的存在使墩身在开裂至屈服这一阶段的刚度有所增加；由图4还可知，核心钢管的加强作用大幅提高了试件的水平承载力，并使骨架曲线上屈服点过后的强化段延长，进而推迟了峰值荷载点的出现。以上所述表明：小震作用下，结构处于弹性阶段，采用组合桥墩作为下部结构不改变桥梁的整体刚度和自振特性，因而桥墩所受的地震惯性力不变，核心钢管对桥墩抗震没有贡献；中震作用下，墩身已经开裂但尚未屈服，组合桥墩在墩身开裂后的刚度较钢筋混凝土桥墩要大，可减小结构的非弹性变形和裂缝宽度；大震作用下，当钢筋混凝土桥墩的水平承载力达到峰值荷载后进入下降段时，组合桥墩还处于屈服后的强化阶段。由此可见，内置核心钢管具有减小结构地震响应和提高安全储备的双重作用。

图3 试件荷载-位移滞回曲线

图4 荷载-位移骨架曲线对比

3.3 承载力及变形能力

各试件骨架曲线上特征点汇总见表4，其中，Py和Δy分别为名义屈服荷载和名义屈服位移，采用“Park法”确定[16]；Pu为峰值荷载，即试件所能抵抗的最大水平力；Δu为极限位移，此位移为荷载-位移骨架曲线上水平荷载下降至峰值荷载的85%时对应位移值；极限位移角θu为极限位移与墩高的比值，位移延性系数μΔ为极限位移与屈服位移的比值。根据表4，分别对比λ=3的STRC-01和PTRC-01以及λ=2的STRC-02和PTRC-02可知，在墩身内埋置核心钢管后，试件的水平承载力分别提高了45.7 kN和57.3 kN，增幅分别为53.5%和43.3%；另一方面，试件的极限位移分别增加了8.7 mm和3.1 mm，增幅分别为18.2%和8.3%。可见，核心钢管的加强作用可明显提升墩身的水平承载力和变形能力。

3.4 累积耗能

结构的耗能是指其吸收和耗散地震动能量的能力。水平往复荷载作用下，滞回曲线中加载阶段荷载-位移曲线下所包围的面积可以反映桥墩吸收能量大小，而卸荷时曲线与加载曲线所包围的面积即为耗散的能量[17-18]。图5给出了各试件的累积滞回耗能Ehyst随加载位移Δ的变化曲线，由图5中可见，内置核心钢管后，剪跨比λ=3和λ=2的试件在破坏前的耗能分别提升了18.7 kN·m和26.1 kN·m，增幅分别为27.7%和38.9%。可见，核心钢管的存在可使墩身的耗能能力得到明显改善。进一步发现，剪跨比λ=2试件的累积耗能增幅要大于λ=3的试件，这表明当组合桥墩应用于剪跨比较小的桥墩时，对耗能特性的改善更为有效。

表4 试验结果汇总

图5 累积耗能曲线对比

3.5 残余位移

地震过后，桥墩的残余变形将严重影响结构安全，并影响桥梁结构的修复可行性，残余变形逐渐成为桥墩地震损伤控制设计的重要指标[19]。图6给出了各试件的残余位移Δr随水平加载位移Δ的变化曲线。由图6中可见，组合桥墩试件在各位移幅值下的残余位移均明显小于钢筋混凝土试件，可见，内置核心钢管能显著减小墩身的残余位移。这是因为：水平位移较小时，核心钢管受力后发生弹性形变，可为墩身提供额外的恢复力，从而减小了加载前期的墩身残余位移；水平位移较大时，核心钢管与其内部混凝土组成钢管混凝土芯柱始终保持着良好的完整性，即使在外围混凝土严重剥落的请况下，钢管混凝土芯柱依然能够为墩身提供稳定复位能力，使得加载后期的残余变形减小。

进一步，以剪跨比λ=3.0的两个试件为例，根据图6(a)可知，当墩顶水平位移为17.5 mm时，钢筋混凝土桥墩试件的残余位移达到9 mm，对应的残余位移角θr(为残余位移Δr与墩高h的比值)为1%，相当于日本在1995年Kobe地震后规定桥墩是否推倒重建的极限值[20]。此时，组合桥墩试件的残余位移值较钢筋混凝土试件要小3.6 mm。换言之，当钢筋混凝土桥墩的损伤程度达到规定限值需要拆除时，组合桥墩还有0.4%的残余位移角储备值，为残余位移角限值的40%。在地震作用下，受损的梁桥数量众多，采用组合桥墩所能节省的桥墩修复和重建费用不可估量。

图6 残余位移曲线对比

4 结 论

通过4个桥墩试件的拟静力加载试验，研究了内置核心钢管对传统钢筋混凝土桥墩抗震性能的改善作用，对比了两类桥墩的抗震性能差异，主要结论如下：

(1) 剪跨比是影响试件的破坏形态主要参数，随剪跨比由λ=2.0增至λ=3.0，试件的破坏模式由弯剪破坏转变为弯曲破坏；组合桥墩试件和钢筋混凝土桥墩试件在往复荷载作用下的损伤发展过程相似，但组合桥墩试件的墩身裂缝分布均匀、宽度较小，且墩底塑性铰区的破坏程度较轻。

(2) 与钢筋混凝土桥墩试件相比，组合桥墩试件的荷载-位移滞回曲线要更为饱满、稳定，强度衰减和刚度退化较慢，能抵抗更大的塑性变形和更多的循环次数，表现出更好的滞回性能。

(3) 在钢筋混凝土桥墩内埋置核心钢管对初始弹性刚度没有明显影响，但能显著提高试件的水平承载力、变形能力和耗能能力。对于剪跨比分别λ=3.0和λ=2.0的试件，其提高幅值依次为53.5%和43.3%、18.2%和8.3%、27.7%和38.9%。另一方面，由于核心钢管的加强作用延缓了墩身的损伤发展，组合桥墩在各位移幅值的残余位移均小于钢筋混凝土桥墩试件。