丁世聪， 韩 艳， 王江江， 黄志明， 石明珠， 张 宇

(北方工业大学 土木工程学院，北京 100144)

0 引 言

桥墩是桥梁下部结构的主要承重构件。在地震荷载作用下，钢筋混凝土桥墩柱脚往往由于受到较大的弯矩作用而发生损坏，进而导致整体结构的滞回承载力不足，最终造成桥梁破坏甚至倒塌的现象发生。我国是地震多发国家，地震带覆盖区域广，如何对桥墩进行合理的抗震设计始终是桥梁工程界广为关注的问题。混凝土外包钢板墩柱在承受外荷载时，钢板受到内置核心混凝土的支撑，同时，内置核心混凝土又受到外包钢板的约束作用。两种不同材料之间相互支承，既能防止钢板过早发生局部屈曲，又能提升柱体整体承载力，加强整体结构的刚度，从而弥补普通钢筋混凝土柱承载力弱、刚度退化快等缺点[1-4]。外包钢板同时可以作为桥墩施工时的模板，非常方便。本文分别对普通钢筋混凝土桥墩及外包钢板混凝土桥墩进行拟静力试验，对比分析了两类桥墩的抗震性能差异，以为外包钢板桥墩在地震区的应用提供数据参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

以某一立交桥的实际桥墩为原型设计试验用桥墩模型，该桥墩为直径1.6 m、高6.2 m的圆形桥墩，外包2 cm厚的钢板。受实验室条件的限制，设计了缩尺比为1∶4的试件(SRC柱)进行模型试验，见表1。根据相似理论，试验用桥墩模型的有效高度取155 cm，直径取40 cm，墩柱的材料选用原材料，即C30混凝土，采用直径为12 mm的HRB335钢筋作为墩柱的纵向受力主筋，采用直径为6 mm的HPB235钢筋作为箍筋，外包钢板的厚度为5 mm。将墩底模拟为固定端，焊接在墩柱底面的钢板利用螺栓与通过地锚螺栓和地基可靠连接的基础钢板相连接。桥墩模型的构造及配筋如图1所示。在桥墩根部20 cm范围内附加径向钢板以模拟承台及桥墩根部周围地基土对桥墩的约束作用。为明确外包钢板的抗震作用，同时制作了1根相同尺寸的普通钢筋混凝土墩柱(RC柱)，其配筋与外包钢板混凝土墩柱完全相同。

表1 试件设计参数

图1 试件构造尺寸及配筋图(单位：cm)

1.2 试验加载

采用拟静力试验加载方案。在水平加载点的墩柱对侧布置位移计以测量墩顶位移。考虑到桥墩的轴压比通常在0.1～0.3[5]，试验时，首先通过电液伺服系统控制3 000 kN的竖向千斤顶在墩柱顶按轴压比0.2(轴压比系柱顶轴压力值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积的比值)逐渐施加竖向轴向荷载至359 kN，保持恒定并紧固柱底螺栓及竖向连接件螺栓；然后采用1 000 kN的水平向拉压千斤顶在墩顶施加水平往复荷载：先以10 kN进行3次循环预加载，每次均对连接件进行紧固以使水平作动器与墩柱紧密连接，然后开始正式施加水平荷载；采用力-位移混合控制的加载方式，即试件屈服前按荷载控制，分数级加载，每级荷载循环1次；屈服后按位移控制，每级增加的位移为屈服位移的倍数，并在相同位移下往复循环3次，直到试件的水平承载力下降到最大水平荷载的85%以下或纵筋断裂时结束试验。试验中的屈服位移以柱顶的水平荷载-位移关系曲线，即P-Δ曲线出现明显的拐点作为判别标准。试验加载现场如图2所示。

图2 试验桥墩及加载装置

2 试验结果

2.1 破坏形态

SRC柱，在屈服之前表现出良好的弹性性能。当加载到2倍屈服位移时，南侧柱脚加劲肋板与柱底钢板连接处的焊缝出现开裂；在向3倍屈服位移正向加载的过程中，在加载位移为70 cm时，墩柱承载力突然下降，并伴随有脆断声响，南侧柱脚加劲肋板与柱底钢板连接处的焊缝几乎全部断裂，墩柱猛烈倾斜，墩顶转角的突然增大使得安装在墩顶的LVDT位移计发生弯曲，为避免位移计发生损坏，卸载至零位移，然后反向3倍屈服位移加载至其承载力下降到最大承载力的85%后结束试验。

RC柱，当正向加载到60 kN时，在北侧墩身距离根部7 cm左右处出现长约9 cm的细小裂缝，反向加载到60 kN时，南侧墩身距离根部5 cm左右处，出现约8 cm长的细微裂缝；继续加载到100 kN的过程中，南、北两侧柱脚钢板套箍以上75 cm范围内的墩身出现多条细小裂缝，构件发生屈服。在3倍屈服位移循环结束时，南北侧混凝土柱根部的裂缝平均宽3 mm，塑性铰区有少量混凝土脱落；5倍屈服位移循环结束时，南北两侧混凝土柱根部的混凝土保护层大面积被压碎、剥落，钢筋露出，损伤区域沿墩身向上发展，墩柱水平承载力下降；6倍屈服位移循环结束时，墩柱根部塑性铰区混凝土基本全部脱落，钢筋外露，墩柱承载力下降至峰值承载力的85%以下，试验结束。

图3、图4分别给出了2个试件的最终破坏形态，可以看出：SRC柱破坏为柱脚加劲肋板与柱底钢板连接处的焊缝全部断裂，在加劲肋板的柱根部墩身出现明显的外鼓现象；而RC柱脚根部20 cm范围内钢板及其加劲肋板与柱底钢板的连接始终保持完好，塑性铰区出现在柱脚钢板以上的混凝土部分，呈明显的弯剪破坏模式。

图3 SRC柱最终破坏图

图4 RC柱最终破坏图

2.2 滞回曲线

滞回曲线能综合反应墩柱在地震荷载作用下的承载力及耗能能力，2个试件的荷载-位移滞回曲线如图5所示。从图5中可以看出，试件屈服之前都处于弹性阶段，滞回曲线近似一条斜直线，滞回环面积较小，随着水平位移的不断增大，构件进入塑性阶段，两类构件滞回环面积均不断增大，耗能能力不断增加。两类构件各自屈服后，对于同一级的循环加载，随着循环加载次数的增加，对应的滞回环均较初次的细、小。SRC柱的峰值荷载明显大于RC柱的峰值荷载，表明外包钢板能极大地提高墩柱的承载力。

图5 荷载-位移滞回曲线

2.3 骨架曲线

骨架曲线能够较详细地反映试件的强度、延性等抗震性能指标。2个试件的骨架曲线对比如图6所示。骨架曲线特征点见表2，其中屈服荷载采用Park法[6]得到，极限荷载系最大承载力下降到峰值荷载85%的荷载值[7,8]，SRC柱正向加载时由于柱脚加劲肋板与柱底钢板连接处焊缝的突然断裂致使正向加载结束，因而没有得到正向极值荷载，相应地其延性比为仅由负向加载计算的。

由图6和表2可以看出， SRC柱和RC柱的变形皆由弹性阶段、强化阶段以及强度退化阶段构成；SRC柱的屈服荷载和屈服位移分别为RC柱相应值的239.13%和132.81%，SRC柱的峰值荷载和极限荷载也均大于RC柱的相应值；但是SRC柱的延性比小于RC柱，这是由于SRC柱的柱脚肋板焊缝发生断裂导致的。

图6 试件骨架曲线对比

表2 试件各特征点

2.4 试件的耗能性能

耗能系数能够较好地反映试件在地震作用下的耗能能力，计算公式为[9]：

(1)

式中：λD为试件耗能系数；SABC和SCDA分别为滞回环上半部和下半部与坐标轴围成的面积；SOBE和SODF为三角形的面积。如图7所示。

图7 耗能系数计算图

根据公式(1)计算得到SRC柱和RC柱的峰值荷载滞回环耗能系数分别为0.898和1.395，可见，虽然SRC柱在屈服前刚度较大，表现出良好的弹性性能，但在达到峰值荷载后，由于柱脚肋板与柱底钢板焊缝断裂，承载力很快大幅下降，累积耗能低，而RC柱虽然承载力较SRC柱低，但其累积耗能高。

2.5 残余位移

残余位移是指结构或构件在卸载后无法恢复的变形，这一点在抗震设计中很重要。一些国家，例如日本的桥梁设计规范要求在桥梁设计中考虑残余位移[10]。残余位移越小，对震后的桥梁运营越有利。SRC柱和RC柱的残余位移与墩顶水平位移的关系如图8所示。

图8 残余位移对比图

从图8中可以看出，当墩顶水平位移小于15 mm时，2个试件的残余位移基本为0，表明此时试件均有良好的弹性性能；当墩顶水平位移大于15 mm时，残余位移曲线斜率增大，钢筋发生屈服，桥墩进入塑性阶段。SRC柱在破坏之前其残余位移一直较RC柱小，表明外包钢板能够有效提升钢筋混凝土桥墩的弹性性能。

3 结 论

本文分别对外包钢板混凝土桥墩和普通钢筋混凝土桥墩进行了拟静力试验，得出以下主要结论：

(1) 普通钢筋混凝土桥墩破坏模式为柱底塑性铰区弯剪破坏，外包钢板混凝土桥墩主要破坏模式为柱脚加劲肋板与柱底钢板连接处的焊缝断裂所致的墩柱承载力大幅降低，在施工中要注意保证钢板的焊缝质量。

(2) 外包钢板能够显著提高钢筋混凝土桥墩的承载力及刚度，本试验中外包钢板桥墩在达到最大承载力以后由于柱脚加劲肋板与柱底钢板连接处焊缝的突然断裂导致承载力突然下降，可见施工中要注意肋板焊缝质量，对钢板厚度的合理选取还需进一步研究。