杜修力，陈明琦，韩 强

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

近十年，我国桥梁工程发展迅速，在地势险峻的山区，在城市高速连接之间，以及在广阔的海面上，建成了一批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、科技含量高的高墩桥梁。为了实现低碳经济，节约高墩的成本，现在大部分工程都采用空心桥墩，因此，对于空心桥墩在地震灾害中的性能研究，具有重大实际意义。

基于此工程背景，本次试验以钢筋混凝土空心桥墩为研究对象，并对施工工序和养护条件要求极其严格，以保证空心桥墩的质量，确保能够准确地模拟实际空心桥墩在地震中的受力状态和破坏过程。根据现有的实验室条件，尽可能制作较大比例的试验试件，对其进行水平低周往复加载试验，评价其破坏机理和抗震性能。本文重点分析不同配筋率、轴压比、箍筋间距对相同几何尺寸的钢筋混凝土空心桥墩抗震性能的影响。

1 试验概括

1.1 试件设计

本次试验共有五个试件，编号分别为 S1、S2、S3、S4、S5，其几何尺寸完全一致，外廓截面尺寸为500 mm×360 mm，空心截面尺寸为260 mm×120 mm，壁厚120 mm，有效高度2 880 mm。考虑到实际工程中空心桥墩的强度比较高，故混凝土用C40，纵筋及箍筋均为Ⅱ级钢筋。实测钢筋屈服强度385 N/mm2，极限强度413 N/mm2，混凝土立方体抗压强度实测平均值为41.5 MPa。空心桥墩试件的尺寸图如图1、配筋图如图2、图3所示。剪跨比为8.7，设计试验为弯曲破坏。5个试件分成3组，分别研究配筋率、轴压比、箍筋间距的影响。第1组分析不同配筋的影响，包括S1和S2、S3和S4;第2组分析不同轴压比的影响，包括S1和S3、S2和S4;第3组分析箍筋间距的影响，包括S2和S5。各试件的设计参数见表1。

图3 墩头、基座配筋图Fig.3 Reinforcement of top and base

1.2 测试方案

(1)加载装置

试验在北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，加载系统分为三个部分:竖向加载装置、水平加载装置、数据采集系统。竖向加载系统由龙门架、加载梁和千斤顶组成，加载过程中，竖向力保持恒定，千斤顶随试件同时水平移动。水平荷载应用MTS伺服系统液压作动器来控制，作动器最大出力为1 000 kN，行程为±300 mm。作动器固定在反力墙上，由反力墙提供支持。试件内钢筋粘贴应变片，周围布置位移计和混凝土应变仪，用于采集试件内部和外部变形数值。采集系统采用英国IMP数据采集设备，该系统由应变传感器、接线板、数据采集板和电脑组成，可单采或连采，采集速度为1次/2S。加载示意图见图4。

表1 试验试件桥墩特性Tab.1 Specimen Properties

(2)加载制度

首先沿轴心在试件顶部施加竖向荷载，荷载值由轴压比0.1、0.2分别计算确定，在试验过程中，竖向力的大小和方向保持不变。然后利用水平作动器对试件顶部施加低周反复水平荷载。在加载过程中采用全程位移控制，屈服前力与位移成比例增加，加载不循环;屈服后，变形增量加大，力的增量变小，每级加载循环一次。当试件承载力出现明显下降时，结束试验。试验模型见图5。

图4 加载示意Fig.4 Experimental setup

(3)量测内容

主要量测内容包括:① 顶部竖向荷载;② 顶部水平荷载;③ 顶部水平位移及各测试点位移;④ 预测屈服点纵筋应变;⑤ 与预测纵筋屈服同一高度处的箍筋应变;⑥ 混凝土应变。

图5 试验模型Fig.5 Testing model

2 试验结果及分析

2.1 破坏过程及特征

总体说来，五个试验试件均为弯曲破坏，且S1、S2、S3、S4 试件产生裂缝与屈服时的位移及其他破坏特征非常相似，5号试件与其他试件的破坏过程一致，只是出现裂缝和发生屈服时对应的位移略有差别。试件从加载到破坏先后经历了弹性阶段、弹塑性阶段。

第1级加载，试件无明显变化，处于弹性阶段。第2级加载，S1、S2、S3、S4试件荷载为峰值荷载的45% ～50%，S5试件为37%时，在桥墩端部大约45 cm处出现一条水平细微裂缝。第3级加载，水平裂缝迅速、大量增加，分布在试件的四个方向，沿桥墩端部向上10、20、30、40、50、60、70 cm 处。卸载时，裂缝闭合很好。第 4级加载，每隔10 cm继续产生更多的水平裂缝，但卸载后，裂缝不再闭合，进入弹塑性阶段。之后随着荷载的继续增大，裂缝不断发展。

第6级加载，同一高度处的裂缝、及四个面的裂缝都开始贯通，形成一整条裂缝。桥墩与基座处起皮，出现裂缝。S1、S2、S3、S4试件从第7级加载，S5试件从第9级开始，几乎没有新的水平裂缝产生，但是变得越来越宽。墩角处出现短的竖向裂缝。

图6 试件破坏过程Fig.6 The process of breaking down

第11级加载，在50 cm处发展为一条明显的主裂缝，宽度为2 mm。加载面15 cm以下的混凝土表面和各墩角处开始剥落、压碎。后期加载中，混凝土大面积严重剥落，加载面15 cm以下混凝土的保护层完全脱落，可以看见钢筋，纵筋鼓起。最后，伴随着“砰”地一声，可以判断出是纵筋断裂，试验结束。

整个加载中，各试件均经历了混凝土开裂、钢筋屈服、混凝土表面初始剥落、混凝土表面完全剥落、钢筋变形、钢筋断裂的破坏过程。显著的现象是在桥墩表面每隔10 cm出现水平裂缝，整体形成“水波”式规则裂缝。试件破坏过程照片见图6。

2.2 滞回特性分析

试件 S1、S2、S3、S4、S5的底部剪力 -顶点位移滞回曲线见图7。由滞回曲线可见，试件开裂前，加载和卸载曲线基本重合，滞回曲线近似为直线，试件处于弹性阶段，滞回环包围的面积极小。试件开裂后，滞回环面积逐渐增大，呈现梭形。试件屈服后，加载循环一次，循环加载对应的滞回环明显比首次加载的要窄、细。随后，滞回环越来越饱满。达到峰值荷载后，滞回曲线逐渐出现“捏缩”现象，这是由于裂缝的宽度增大，产生了滑移。

图7 各试件滞回曲线Fig.7 Force-displacement response of bridge columns

表2 空心桥墩承载力、位移实测值Tab.2 Load-carrying capacity and displacement

2.3 试件承载力和位移

各试件的开裂荷载、屈服荷载、最大荷载、极限荷载实测值及对应位移见表2。其中，开裂荷载Fcr是试验过程中首次出现裂缝时对应的荷载值，极限荷载Fu是试件承载力下降到最大值85%时的荷载，屈服荷载Fy由图8确定。Fy/Fu为屈强比，Uu/Uy为延性系数。表中清楚地显示了各试件的破坏参数，现从配筋率、轴压比、箍筋间距分析:

(1)配筋率的影响:

试验发现，配筋率对桥墩性能的影响，是与轴压比共同作用的。不考虑轴压比作用下，随着配筋率的增加，试件的开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载和极限荷载均有所提高。延性系数下降，表示当配筋率高时，试件从明显屈服到极限荷载发展的过程变快，对工程不利。如图8，图(a)表示轴压比为0.1，图(b)表示轴压比为0.2。明显看到，轴压比大时，配筋率高的桥墩承载力极大提高。

图8 屈服荷载的确定Fig 8 The method of define Fy

(2)轴压比的影响:

轴压比对桥墩的影响显著。相同的构件S1和S3，S2和S4在轴压比分别为0.1、0.2的作用下，极限承载力分别提高了52.7%、174.2%，同时极限位移分别下降了13.3%、11.4%，延性比均下降了8.7%。说明较大的轴向压力一定程度上限制了空心桥墩的开裂以及后续的破坏过程，能较大幅度地提高空心桥墩的承载能力，同时使变形能力和延性显著下降。见图10。

图9 S1和S2、S3和S4骨架曲线Fig.9 Force-displacement curves of S1、S2、S3、S4

(3)箍筋间距的影响:

S2、S5纵筋配筋率相同，轴压比均为0.1，只是箍筋间距不同，分别为40mm、55mm。S5的极限荷载比S2有所降低，达到4.3%。S5在位移为8.01 mm时出现初始裂缝，S2在11.85 mm时，S5的开裂荷载比S2的低。同时，S5比S2退后一个加载级达到峰值荷载、极限荷载。S5比S2的极限位移和延性比分别增加了9.3%、33%。说明增大箍筋间距使得空心桥墩承载力有所降低的同时，大大提高了变形性能和延性。

图10 S1和S3、S2和S4骨架曲线Fig.10 Force-displacement curves of S1、S3、S2、S4

2.4 刚度退化现象及分析

各试件的刚度见图12。由图中可以看出，试件的刚度衰减随着位移的增加而增大，随着试件的开裂、屈服、达到极限荷载，试件刚度下降程度越来越平缓。试件刚度下降是由于裂缝开展的加快使得开裂后的混凝土逐渐退出工作，构件有效截面高度不断降低造成的。配筋率、轴压比、箍筋间距对刚度的影响和对承载力、延性是同步的。

轴压比大时，配筋率对刚度退化的影响明显。相同配筋率时，轴压比大的试件刚度大，退化也明显。箍筋间距大的比其他试件的刚度下降趋于平缓，这是由于其延性好，刚度退化缓慢。

图11 S2、S5骨架曲线Fig.11 Force-displacement curves of S2、S5

图12 各试件刚度退化曲线Fig.12 Stiffness degradation curves of specimen

3 结论

(1)本次试验中的钢筋混凝土空心桥墩，在低周水平反复荷载和竖向轴压的共同作用下，均产生弯曲破坏，抗震性能好。

(2)配筋率在大轴压比的作用下，对钢筋混凝土空心桥墩的影响明显。

(3)配筋率相同，轴压比的增大使钢筋混凝土空心桥墩的承载力和刚度提高，但降低了延性性能。

(4)箍筋间距对空心桥墩的承载力影响不大，却大大改变了延性和变形性能。

［1］ Lehman Dawn，Moehle J，Mahin S，et al.Experimental Evaluation oftheSeismicPerformanceofReinforcemed Concrete Bridge Columns［J］.Structural Engineering，2004，130(6):869-897.

［2］ Mo Y L，Seismic Nien I C.Performance of hollow highstrength concrete bridge columns［J］.Journal of Bridge Engineering，2002，7(6):338-349.

［3］Yeh Y K，Mo Y L，Yang C Y.Seismic performance of rectangular hollow bridge columns［J］.Journal of Structural Engineering，2002，128(1):60-68.

［4］ Cheng C T，Yang J C，Yeh Y K，et al.Seismic performance of repaired hollow-bridge piers［J］.Construction and Building Material，2003，17:339-351.

［5］牛栏山，郑 罡，唐光武，等.反复循环载荷作用下钢筋混凝土矩形桥墩塑性铰区弯矩曲率关系试验研究［J］.公路交通技术，2005，10(5):91-95.

［6］司炳君，李宏男，王东升，等.基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验［J］.地震工程与工程振动，2008，28(1):123-129.

［7］刘庆华，阎贵平，陈英俊.低配筋混凝土桥墩抗震性能的实验研究［J］.北方交通大学学报，1996，20(5):517-521.

［8］JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［9］GB50111-2006铁路工程抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社出版，2006.

［10］GB-50010-2002混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版，2002.