墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩抗震性能研究

鲁锦华，陈兴冲，丁明波，马华军，张熙胤

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070）

我国铁路重力式桥墩的配筋率普遍较低，主要是由于其截面尺寸大，且仅配置护面钢筋。现有研究发现配筋率较低的铁路重力式桥墩破坏时呈现出脆性破坏的特征。鞠彦忠等［1-2］对配筋率为0.1%和0.2%的铁路重力式桥墩进行的试验研究发现，随着配筋率的增加，桥墩的破坏状态从脆性逐步向延性过渡。蒋丽忠等［3］和赵冠远等［4］的研究还发现，低配筋率高速铁路重力式桥墩的位移延性系数均小于规范规定的限值。作者在研究配筋率对铁路重力式桥墩抗震性能的影响时发现，采用光圆钢筋桥墩的极限位移明显比采用螺纹钢筋桥墩的大［5］，其原因是光圆钢筋与混凝土间的机械咬合力小，在循环荷载作用下钢筋与混凝土间的黏结滑移位移较大，钢筋的总伸长量相比于螺纹钢筋有明显的增加，导致了桥墩产生较大的位移且钢筋不发生断裂。为改善低配筋铁路重力式桥墩的延性抗震性能，本文提出了在墩底设置无黏结钢筋的设计方案，以增大钢筋的伸长量提高桥墩的极限位移。

目前对于无黏结钢筋的使用主要集中在体外预应力加固［6-7］、节段拼装桥墩［8-9］和摇摆自复位桥墩［10-12］中。另外，Pandey 等［13］研究了建筑中钢筋混凝土柱设置无黏结钢筋对其抗震性能的影响。但是低配筋率铁路重力式桥墩的破坏特征与钢筋混凝土柱有着本质的区别，二者在设置无黏结钢筋后对其抗震性能的影响是否一致，在墩底设置无黏结钢筋对低配筋铁路重力式桥墩的抗震性能有何影响，目前均尚无研究。

本文设计4 个模型桥墩，通过拟静力试验，研究墩底设置无黏结钢筋低配筋率铁路重力式桥墩的抗震性能。

1 模型试验概况

1.1 试件设计

为了研究墩底设置无黏结钢筋对低配筋铁路重力式桥墩抗震性能的影响，设计了M1，M2，M3和M4 共4 个模型桥墩，墩高125 cm，截面长和宽分别为36 和25 cm，纵向钢筋直径8 mm，箍筋间距10.3 cm，箍筋直径6 mm，M1 和M2 分别为配筋率0.2%和0.3%的纵向钢筋完全黏结桥墩（简称完全黏结桥墩）；M3 和M4 分别为配筋率0.2%和0.3%、墩底17 cm 范围内纵向钢筋与混凝土无黏结的桥墩（简称无黏结桥墩），纵向钢筋与混凝土无黏结段用PVC 管包裹，用环氧树脂胶密封。混凝土为C30，轴压比均为6.0%。模型桥墩构造和钢筋布置如图1所示，试验中实际加工的桥墩钢筋骨架如图2所示。

图1 4个模型桥墩构造和钢筋布置（单位：cm）

图2 试验中实际加工的桥墩钢筋骨架

1.2 加载及测量装置

试验加载通过液压千斤顶在墩顶施加水平往复荷载，竖向荷载通过反力梁和2 根精轧螺纹钢进行施加。加载过程中墩顶的水平荷载和位移通过计算机控制系统记录，试验加载装置如图3所示，现场加载装置如图4所示。

图3 试验加载装置

图4 现场试验加载装置

1.3 加载制度

试验加载制度按照JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验方法规程》的规定进行设定，选用位移加载控制制度。从1 mm 开始逐级递增，15 mm 之前，增幅为2 mm，15 mm 之后，增幅为5 mm，每级加载3次，直到桥墩达到极限破坏状态。

2 试验现象及结果

2.1 试验现象

桥墩的最终破坏状态如图5所示。由图5可以看出：M1 桥墩破坏时出现2 条裂缝，墩底1 条裂缝，在距离墩底20 cm 处出现第2 条裂缝，墩顶位移加载到35～40 mm 时钢筋拉断，且混凝土未出现明显的压碎；M2 桥墩破坏时出现3 条裂缝，墩底1 条裂缝，在距离墩底25 和39 cm 处分别出现第2 条和第3 条裂缝，墩顶位移加载到40～45 mm 时钢筋拉断，混凝土未出现明显的压碎；完全黏结桥墩的破坏为墩身出现多条裂缝，且随着配筋率的增加，桥墩的裂缝不断增多，桥墩的破坏区域不断增大；无黏结桥墩M3和M4破坏时均仅在墩底产生1条裂缝，其余墩身均未出现裂缝，墩底裂缝贯通后，墩身与基础之间仅通过纵向钢筋连接，加载过程中表现出了自复位桥墩的特性。

图5 试件最终破坏状态

可见，墩底无黏结钢筋的设置改变了桥墩的破坏特征，仅在墩底形成1条贯通裂缝，区别于钢筋完全黏结桥墩墩身出现多条裂缝的破坏特征。

2.2 试验结果

试验测得的墩顶水平力与位移的滞回曲线如图6所示。取滞回曲线每个循环的峰值点，得到模型桥墩的骨架曲线，不同配筋率下完全黏结桥墩和无黏结钢筋桥墩骨架曲线如图7所示。

图6 桥墩滞回曲线

图7 桥墩骨架曲线

由图6可以看出：配筋率为0.2%的桥墩墩底钢筋是否完全黏结钢筋对滞回曲线的形状影响较小，当配筋率达到0.3%时，无黏结桥墩的滞回曲线比完全黏结桥墩的“捏缩”效应明显。随着配筋率的增大，墩底设置无黏结钢筋会增加桥墩的“捏缩”效应。

从图7可以看出：相同配筋率下无黏结桥墩比完全黏结桥墩的极限位移有显著的提高；加载初期（墩顶位移小于15 mm），相同加载位移作用下，墩底设置无黏结钢筋对桥墩的承载能力影响较小，主要是由于加载初期，墩底变形较小，相应的钢筋变形较小；随着加载位移的增大，墩底裂缝宽度增大，主要受力部位钢筋产生较大的变形，无黏结桥墩的承载力与完全黏结桥墩出现差别，比完全黏结桥墩的承载力略低，降低值在5%以内，说明墩底设置无黏结钢筋对桥墩的承载能力影响较小。另外，无黏结桥墩的承载力随着加载位移的增大下降非常缓慢，桥墩在较大的加载位移下，承载力也未见明显的下降，说明墩底设置无黏结钢筋在有效增加极限位移的同时可确保桥墩的承载能力。

3 桥墩抗震性能

3.1 刚度退化

桥墩的刚度退化主要是由混凝土开裂及钢筋屈服造成的。从滞回曲线中可见，随着加载位移的增大桥墩的刚度在不断地减小。为了能直观地反映桥墩刚度在荷载作用下的变化情况，引入割线刚度的概念，具体计算式［14］为

式中：±Fi为第i次加载循环荷载下的正、反最大荷载值；±Δi为峰值荷载所对应的位移。

根据图7，采用式（1）计算得到4个模型桥墩的刚度退化曲线如图8所示。

图8 桥墩刚度退化曲线

由刚度退化曲线可以看出：无黏结桥墩的刚度退化趋势与完全黏结桥墩的一致，且相同加载位移下无黏结桥墩的刚度比完全黏结桥墩的刚度略低，最大差为10%。

3.2 位移延性系数

按钢筋首次屈服计算桥墩的屈服位移，即

其中，

式中：Δy为桥墩屈服位移；φy为桥墩屈服曲率；h为桥墩有效高度；εsmax为纵向钢筋的屈服应变；d0为截面的有效高度；xc为中性轴距离混凝土受压侧边缘的距离。

桥墩首次屈服位移延性系数定义为极限位移与首次屈服位移的比值。依据GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》考虑2.5 倍的安全系数，可得到桥墩的容许位移延性系数。极限位移取钢筋拉断位移或者钢筋未拉断时的加载最大位移。容许位移延性系数的计算结果见表1。

表1 容许位移延性系数

由表1可以看出：相同配筋率下无黏结桥墩的极限位移比完全黏结桥墩有明显增大；墩底设置无黏结钢筋可有效提高桥墩的容许位移延性系数，配筋率为0.2%时无黏结桥墩的容许位移延性系数比完全黏结桥墩提高了60%，配筋率为0.3%时提高了40%。可见，配筋率越低，容许位移延性系数提高幅度越大，说明墩底设置无黏结钢筋可有效改善低配筋桥墩的延性性能。

3.3 耗能能力

耗能能力是指结构在地震作用下发生塑性变形而耗散能量的能力，是评价结构抗震性能的重要指标之一。工程抗震设计中一般采用累积耗能定量评定桥墩耗能能力的强弱。计算得到各模型桥墩的累积耗能如图9所示。

图9 桥墩累积耗能

从图9可以看出：当加载位移小于15 mm 时，相同配筋率下是否完全黏结桥墩的累积耗能曲线基本重合，说明小位移作用下，墩底钢筋是否黏结对耗能影响较小，原因是墩顶加载位移较小时，墩底钢筋总变形较小；随着加载位移的增大，2 类桥墩的累积耗能曲线开始分离，相同位移下无黏结桥墩的累积耗能比完全黏结桥墩低，且随着配筋率的增加，差值有增大趋势，最大相差10%

4 结 论

（1）墩底设置无黏结钢筋改变了桥墩的破坏特征，无黏结桥墩仅在墩底形成1条裂缝，墩身均未出现裂缝，区别于完全黏结桥墩破坏时墩身出现多条裂缝的破坏特征。

（2）墩底设置无黏结钢筋在保证承载能力基本不变的情况下，极限位移增大，有效改善桥墩的延性性能；与完全黏结桥墩相比，无黏结钢筋桥墩的滞回曲线形状“捏缩”效应明显，且配筋率越大，“捏缩”效应越明显。

（3）铁路重力式桥墩在墩底设置无黏结钢筋可以改善桥墩的抗震性能。