装配式拱桥立柱节点抗震加固拟静力试验研究

宋泽冈,邓旭东,瞿发宪

(云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650051)

1 概述

云南属环太平洋地震带、欧亚地震带的一部分，位于欧亚板块与印度板块碰撞带的东南侧，是我国破坏性地震频发、受灾最为严重的省份之一，地震活动分布广、频度高、震源浅、强度大、灾害重；云南84% 的国土面积基本地震烈度在7 度以上[1]，是全国平均水平的2 倍多；20世纪，仅占国土面积4.1 % 的云南发生的6 级以上强震、7 级以上大地震全国占比分别达18.8 %、23.6 %。作为结构的传力构件，节点在整个结构体系中的作用是非常重要的，地震作用下，一旦节点发生破坏，往往会引起毁灭性的后果[2]。1989 年美国Loma Prieta 大地震，使得Cypress 双层高架桥出现严重地震损害(节点部位剪切破坏)，导致1.6 km长的高架桥倒塌，引起了全世界桥梁工程师们对节点的高度重视[3]。基于云南高烈度区域分布广、装配式钢筋混凝土拱桥应用较为广泛的特点，专门针对结构薄弱部位(主拱圈与立柱连接节点)抗震性能进行研究显得尤为必要。

近年来，对钢筋混凝土柱进行拟静力试验成为研究其抗震性能与提升设计的主要手段。钱稼茹[4]等通过9 个钢筋混凝土柱试件的拟静力试验，研究了不同抗震等级RC 柱的抗震性能及水平力循环次数对其抗震性能的影响；李升才[5]等通过拟静力试验，研究了高轴压比下焊接环式复合箍筋约束(BCCS)高强混凝土柱的抗震性能，结果表明BCCS 试件具有较饱满的滞回环，其延性、耗能性能更佳；徐聪[6]等发现经水泥基灌浆料及钢丝网(CGMM)加固后，试件延性、耗能性能明显提升，峰值荷载增大，刚度退化减缓；蔡新江[7]等采用CFRP 对螺旋箍筋短柱进行加固，发现短柱破坏模式由脆性破坏变为延性破坏；贡金鑫[8]等研究了采用加大截面及碳纤维布包裹加固后的锈蚀圆柱的抗震性能，发现试件加固后，延性有所改善，极限承载力和耗能能力明显提高；周明杰[9]对混凝土异形柱采用粘贴钢板与CFRP 复合加固，发现试件水平极限荷载、延性系数显著提高。上述研究取得了较好的成果和结论，为相关领域进一步研究提供了借鉴，但亟需开展基于多种加固方式的对比试验研究。

本文以云南高烈度区一座130 m跨径空腹装配式箱型拱桥为依托，以该桥典型的排架立柱为原型制作6 组等比例试件，采用粘贴碳纤维布、增大截面、粘贴钢板3种加固方式，对其中5 组试件的柱脚部位节点进行加固；通过拟静力试验，得到试件的特征曲线与参数[10-11]，经对比分析，对试件抗震性能进行评价，选出最佳的抗震加固方式。

2 试件构造与试验方案

2.1 试件构造

经调研，选取云南高烈度区(8 度区)一座130 m跨径空腹装配式箱型拱桥为依托，该桥6 号排架立柱尺寸适中(高度为2.894 m)，满足实验室拟静力试验条件，故以该排架立柱为原型制作6 组试件，柱脚节点未加固试件编号为“YZ1”(亦称“原件”)、粘贴碳纤维布加固试件编号为“CFRP2”、增大截面加固试件编号为“ZJ3、ZJ4”、粘贴钢板加固试件编号为“GB5、GB6”。排架原型构造如图1 所示，6 组试件构造如图2、表1 所示。

图1 排架原型构造图(单位：cm)Figure 1 The structure drawing of frame prototype(Unit: cm)

2.2 试验方案

拟静力试验，又称低周往复荷载试验，是通过位移或荷载控制对试件实施低周往复加载，使试件历经弹性直至破坏的全过程试验；通过模拟结构在地震作用下的往复振动过程，是目前研究结构受力与变形等地震响应的主要手段。

为模拟实桥柱顶轴力，试验中通过反力架下方千斤顶于柱顶施加预定轴力(179.89 kN)并维持恒定；水平低周往复荷载通过液压作动器施加，采用位移控制，试件屈服前、后，加载幅值分别为1、2 mm，每级循环加载3 次；当试件水平荷载峰值下降至极限荷载的85 % 以下时，停止加载。试件拟静力试验加载装置如图3 所示。

(a) YZ1(b) CFRP2

(c) ZJ3、ZJ4(d) GB5、GB6

表1 试件构造说明Table 1 The structure description of specimens试件编号节点加固方式试件构造备注YZ1无底座、柱身预制件拼装连接预埋筋后,再浇筑杯口节点部位C40 混凝土预制件采用C30 混凝土CFRP2粘贴碳纤维布在YZ1 基础上,杯口节点部位及柱身1.3 m高度范围粘贴碳纤维布(双层粘贴)碳纤维布规格:I-300 型,幅宽300 mm、厚度0.167 mmZJ3增大截面在YZ1 基础上,杯口节点部位及柱身1.3 m高度范围植筋后外包10 cm厚C40 细石混凝土外包混凝土采用ϕ12 箍筋ZJ4外包混凝土采用ϕ16 箍筋GB5粘贴钢板在YZ1 基础上,杯口节点部位及柱身1.3 m高度范围粘贴钢板,螺栓锚固、交接处焊接钢板厚度5 mmGB6钢板厚度8 mm

(a) 示意图(b) 现场照片

3 试验结果与分析

3.1 试件破坏模式

试验中，各试件破坏形态如图4 所示，各试件破坏现象和模式如表2 所示。

由图4、表2 可知：6 组试件均历经弹性、弹塑性到塑性直至破坏的全过程；YZ1、CFRP2、ZJ3、ZJ4 试件基本以钢筋屈服、混凝土块状剥落而破坏，GB5、GB6 试件因钢板包裹延缓了混凝土立柱横向变形，改善了试件的工作状态，最终以钢板轻微鼓起、底座开裂而破坏；从破坏模式来看，原件发生弯剪破坏，加固试件发生弯曲破坏。

(a)YZ1 (b)CFRP2 (c)ZJ3

(d)ZJ4 (e)GB5 (f)GB6

表2 试件破坏现象和模式Table 2 Failure phenomena and modes of specimens试件编号破坏现象破坏模式YZ1柱底反、正面(定义作动器侧为“正面”)出现细小横向裂缝→ 立柱下部左、右侧面出现“X”形斜裂缝→ 裂缝宽度、长度不断发展,纵向钢筋屈服→ 立柱下部正、反面混凝土块状剥落,纵向钢筋、箍筋外鼓弯剪破坏CFRP2立柱下部反、正面碳纤维布与柱身轻微剥离并伴有轻微“噼啪”声→ 出现较严重剥离,柱底反、背面混凝土局部剥落从碳纤维布裂口掉落→ 试件被推倒弯曲破坏ZJ3立柱下部反、正面出现横向裂缝→ 立柱下部左、右侧面出现近于水平的斜裂缝→ 立柱下端反、背面混凝土块状剥落,纵向钢筋、箍筋外鼓弯曲破坏ZJ4GB5柱底下部反、正面杯口区与立柱交接处钢板焊缝出现微小裂纹→ 焊缝裂纹发展为贯通裂缝→ 柱底反面钢板轻微鼓起弯曲破坏GB6试件下部反、正面杯口区与立柱交接处钢板焊缝出现微小裂纹→ 焊缝裂纹发展为贯通裂缝→ 试件底座混凝土开裂失效

3.2 试件滞回曲线和骨架曲线分析

滞回曲线，是指结构在低周往复荷载作用下的荷载-变形曲线，其滞回环包围的面积及饱满程度反映构件耗能能力的强弱；各试件试验滞回曲线如图5 所示。将滞回曲线中各级加载首次循环的峰值点相连，得到的包络线即各试件的骨架曲线如图6 所示。

由图5 可知：6 组试件滞回曲线的滞回环呈反S 形状态，均存在不同程度的“捏缩”；较YZ1 试件(原件)，加固试件滞回环面积及饱满程度明显增大，最显著的是GB6、GB5 粘贴钢板加固试件，反映GB6、GB5 试件耗能能力最强。

由图6 可知：6 组试件骨架曲线由“直线上升段、平缓上升段、下降段”组成，反映试件历经弹性、弹塑性、塑性受力阶段；较YZ1 试件(原件)，各加固试件的屈服点、峰值点和极限点均不同程度提高；其中，GB6 试件极限位移最大，极限承载力明显提高；ZJ4 试件极限承载力显著提高，但极限位移相对较小。

3.3 试件耗能分析

将各级加载首次循环的滞回环包围的面积作为该级加载的耗能值Ei，则各级加载的Ei值依次累加即为累积滞回耗能E；E值越大，表明试件耗能能力(即能量耗散能力)越强；结构处于弹塑性状态时的抗震性能取决于其耗能能力。各试件累积滞回耗能如图7 所示。

(a)YZ1 (b)CFRP2 (c)ZJ3

(d)ZJ4 (e)GB5 (f)GB6

图6 试件骨架曲线Figure 6 Skeleton curve of specimens

由图7 可知：加载位移在0～12 mm区间时，6 组试件E值差异较小；加载后期，随着试件进入塑性受力阶段，E值差异迅速扩大；各试件E值：E(GB6、GB5) >E(ZJ4、ZJ3)>E(CFRP2)>E(YZ1)，其中GB6、GB5粘贴钢板加固试件耗能能力最强(Emax= 60.9 × 103kN·mm，GB6试件)。

图7 试件累积滞回耗能Figure 7 Cumulative hysteretic energy dissipation of specimens

3.4 试件刚度分析

试件的刚度用割线刚度Ki表示，依据《建筑结构抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)式4.5.3 计算。各试件刚度退化曲线如图8 所示。

由图8 可知：YZ1 试件初始刚度最大27.0 kN/mm，加载位移在0 ～ 20 mm区间时，其刚度退化最快，加载位移在28 mm之后其刚度降至另5 组加固试件之下；总体来看，加载初期(加载位移12 mm之前)试件刚度：最大为ZJ3、ZJ4，其次为YZ1，最小为CFRP2、GB5、GB6；中后期(加载位移14 mm之后)试件刚度：最大为ZJ4、ZJ3，其次为GB5、GB6，最小为CFRP2、YZ1。

图8 试件刚度退化曲线Figure 8 Stiffness degradation curve of specimens

3.5 试件特征值分析

各试件特征值如表3 所示。

由表3 可知：较YZ1 试件(原件)，各加固试件荷载、位移特征值均不同程度提高，增大截面加固试件延性系数有所降低，粘贴碳纤维布、粘贴钢板加固试件延性系数略有提高。相对而言，CFRP2 试件承载力仅略微提高；ZJ3、ZJ4 两组试件开裂荷载基本一致，然而承载力相差较大，ZJ4 试件峰值荷载为499.7 kN(提高111.5 %)，但延性系数仅1.68(降低45.0 %)，表明箍筋直径较大时能显著提高构件承载力，同时带来延性系数明显降低的不利影响；GB5、GB6 两组试件承载力、变形能力均有很大提高，8 mm厚钢板加固效果更佳，如GB6 试件峰值荷载为403.9 kN(提高70.9 %)，极限位移为81.2 mm(提高101.0 %)。

表3 试件特征值Table 3 Characteristic values of specimens试件编号开裂荷载Fcr/kN屈服位移Δy/mm峰值荷载Fmax/kN位移Δ/mm极限位移Δu/mm延性系数u=Δu/ΔyYZ1130.813.2236.333.740.43.06CFRP2-15.9255.846.056.63.56ZJ3171.721.2358.250.054.72.58ZJ4178.830.0499.750.150.51.68GB5-21.4339.854.074.03.46GB6-26.0403.958.081.23.12

4 结论

装配式拱桥抗震薄弱部位为主拱圈与立柱连接节点，本文以6 组试件为对象，采用3种加固方式对柱脚部位节点进行加固，通过拟静力试验，对试件抗震性能进行了分析研究，得到如下结论：

a.试件破坏区域为柱身下端50 cm 高度范围，杯口区(柱脚节点部位)因构造措施较强未产生明显损伤；原件发生弯剪破坏，加固试件发生弯曲破坏。

b.加固试件因对柱身下部塑性铰区域进行了

加固，较原件其滞回环面积及饱满程度明显增大，屈服点、峰值点和极限点均不同程度提高；表明通过节点加固，试件的极限承载力、变形能力与耗能能力得到提高。

c.试件抗震性能评价：YZ1 试件承载力低，变形能力差，耗能能力弱，刚度退化快；CFRP2 试件承载力较低，变形能力好，耗能能力较强，刚度退化较快；ZJ3、ZJ4 试件承载力高，变形能力较好、延性降低(与箍筋直径正相关)，耗能能力强，刚度退化慢；GB5、GB6 试件承载力较高，变形能力最好(与钢板厚度正相关)，耗能能力最强，刚度退化较慢。

d.采用粘贴钢板加固方式时，试件具有优异的承载力、变形能力与耗能能力，总体抗震性能最为突出；这种针对装配式拱桥的“强节点”抗震加固思路，在实现抗震设防目标的同时，有效提升桥梁整体抗震性能，经济效益显著。