何宝佳 谭乃豪 李广德 刘小 魏铮 岳凌锋 戎贤 张健新中国建筑第五工程局有限公司 中交建冀交高速公路投资发展有限公司 河北工业大学土木与交通学院摘 要：设计4个配置HRB500高强钢筋的混凝土桥墩构件并进行拟静力试验，分析剪跨比、轴压比、箍筋间距对桥墩抗震性能的影响，研究高强钢筋混凝土桥墩的破坏特征、承载能力、变形能力、延性性能、滞回特性和耗能能力等抗震性能指标。
结果表明：剪跨比较大的高强钢筋混凝土桥墩呈现弯曲破坏形态，滞回曲线更为饱满，刚度退化更缓慢，耗能能力更强；剪跨比较小的构件呈现剪切破坏形态，具有较高的承载能力；剪跨比较大的高强钢筋混凝土桥墩的破坏位移是较小剪跨比构件的3.3倍，具有较强的变形能力，但极限荷载仅是后者的0.5倍；当加密剪跨比较大桥墩的箍筋后，延性系数提升了12.4%,表明减小箍筋间距可以改善构件延性；增大小剪跨比桥墩的轴压比使构件的承载力提高21%,但破坏位移降低9.8%,对耗能和刚度退化影响不大。
关键词：混凝土桥墩;剪跨比;高强钢筋;抗震性能;延性性能分析;基金：中国建筑第五工程局有限公司研发课题，项目编号HE2135;1 研究背景桥梁在交通运输中起着重要的作用，桥墩是桥梁结构的重要传力构件，其抗震性能的研究显得尤为重要[1,2]。
众多学者对桥墩构件的抗震性能及延性性能进行了大量的研究[3,4,5,6],朱绩超等[7]研究了在荷载的不同循环次数下的钢筋混凝土桥墩抗震性能，结果表明在达到极限荷载之后其循环次数的不同对构件的抗震性能有较大影响；刘钊等[8]对比了高强钢筋混凝土桥墩与普通钢筋混凝土桥墩的抗震性能；Soares等[9]研究了箍筋对钢筋混凝土桥墩延性的影响；田甜等[10]研究了剪跨比对钢管混凝土组合桥墩的抗震性能的影响，认为剪跨比是影响桥墩抗震性能的关键因素。
高强钢筋的抗拉强度高，变形能力良好，应用到钢筋混凝土桥墩中可以较好地提升构件的抗震性能，但其关键影响因素尚需要进一步研究。
为了在桥墩结构中更好地推广应用高强钢筋，有必要对影响高强钢筋混凝土桥墩抗震性能的因素进行研究，分析剪跨比、箍筋间距和轴压比等对配置高强钢筋混凝土桥墩的抗震性能的影响。
2 试验设计试验共设计4个高强钢筋混凝土桥墩构件，纵筋强度和箍筋强度均为HRB500,构件尺寸及配筋如图1所示。
墩柱截面尺寸均为300 mm×300 mm。
为施加水平荷载，柱端设置高240 mm、截面尺寸为300 mm×300 mm的方形加载头。
构件BP1和构件BP2墩身净高1 400 mm, 剪跨比为1.76。
构件BP3和构件BP4墩身净高为900 mm, 剪跨比为0.93。
各构件参数见表1。
图1 构件尺寸及配筋 下载原图单位：mm构件加载装置如图2所示。
构件基座与基础连接，墩柱上端通过滚轴支座连接。
分别通过竖向千斤顶和水平千斤顶，在柱顶和加载头施加竖向轴力和水平拟静力荷载。
试验的加载制度采用荷载—位移混合控制方式，在构件屈服前采用荷载控制，每级荷载循环1次；当构件屈服后采用位移控制，以屈服位移的整数倍逐级增加，每级位移循环加载3次；当构件的承载力下降到极限荷载的85%以下时，认为构件破坏，试验结束。
3 破坏特征试件的最终破坏特征如图3所示。
剪跨比为1.76的构件BP1和构件BP2的裂缝以水平裂缝为主，第一条裂缝均出现在墩柱底部；随着荷载增大，原有裂缝不断扩展，新的裂缝沿着墩柱方向不断出现。
构件屈服后，随着位移的增大，裂缝继续扩展，底部混凝土脱落，直至承载能力下降到极限荷载的85%,认为此时构件失去承载能力，试验停止，最终破坏模式为弯曲破坏。
剪跨比为0.93的构件BP3和构件BP4的裂缝初始为水平裂缝，随着位移增大沿着斜向扩展，两侧裂缝形成交叉裂缝，混凝土被压碎，承载能力大幅降低，最终破坏模式呈现为剪切破坏。
对比构件BP1和构件BP2,构件BP2的底部压溃现象更为严重，这表明减小箍筋间距有利于改善构件的压溃特征，能够显著提升桥墩构件的破坏形态。
表1 试件参数 导出到EXCEL构件编号轴压比箍筋间距/mm纵筋强度/MPa箍筋强度/MPa试件高度/mm剪跨比BP10.14805005001 0601.76BP20.141205005001 0601.76BP30.071205005005600.93BP40.141205005005600.93图2 试件加载示意 下载原图图3 试件破坏特征 下载原图4 试验结果分析4.1承载能力和变形能力各个构件的屈服荷载、极限荷载、屈服位移和破坏位移结果见表2;骨架曲线如图4所示。
从表2和图4中可以看出：构件BP2的极限荷载平均值为116 kN,构件BP4的极限荷载为232.67 kN,构件BP4的屈服荷载和极限荷载比构件BP2分别提升了94 %和101%,表明剪跨比较小时，高强钢筋混凝土桥墩具有较高的承载能力；但构件BP2的屈服位移和破坏位移分别是构件BP4的3.2倍和3.3倍，表明剪跨比较大的高强钢筋混凝土桥墩具有更强的变形能力。
构件BP2相较于构件BP1,极限荷载和破坏位移分别提升了20%和24%,表明当剪跨比较大时，增大高强钢筋混凝土桥墩的箍筋间距可以提升构件的承载能力和变形能力。
对比构件BP4和BP3,构件BP4的极限荷载提升了21%,但破坏位移有所降低，表明当剪跨比较小时，增大高强钢筋混凝土桥墩的轴压比可以提升构件的承载能力，但对变形性能有不利影响。
表2 试验结果 导出到EXCEL构件编号加载方向屈服荷载/kN极限荷载/kN屈服位移/mm破坏位移/mmBP1正向65.3173.008.6155.96反向98.57120.0012.1536.12平均81.9496.5010.3846.04BP2正向110.38125.0014.7052.42反向93.77107.0013.6161.31平均56.87102.08116.0014.16BP3正向174.59199.675.9522.42反向162.60184.674.6916.19平均168.60192.175.3219.31BP4正向197.01233.674.9420.22反向199.51231.673.8714.59平均198.26232.674.4117.41图4 骨架曲线 下载原图4.2延性性能各构件的延性系数大小关系如图5所示。
对比构件BP2与构件BP4可以看出，通过增大构件的剪跨比使构件的延性提升了2.8%;构件BP1比构件BP2的延性系数提升了17.3%,构件BP4比构件BP3的延性系数高8.9%。
这表明，减小箍筋间距、增大轴压比可以改善构件的延性性能；而由于剪跨比的变化同时影响了构件的屈服位移和破坏位移，因此对构件的延性系数影响较小。
图5 延性系数 下载原图4.3滞回曲线4个构件的滞回曲线如图6所示。
开始加载时，荷载与位移呈线性关系；随着位移的增大，构件刚度逐渐退化，表现为荷载—位移曲线斜率降低，滞回环面积逐渐增大。
由滞回曲线可以看出，相较于剪跨比较大的构件BP1和BP2,构件BP3和BP4的滞回曲线虽然初期刚度和承载力更大，但滞回环面积更小，饱满程度更低，捏缩现象严重，这是因为剪跨比小的构件的极限位移较小，刚度退化严重，在同一位移的3次循环加载中极限荷载下降迅速；而剪跨比较大构件BP1和BP2的滞回曲线则较为饱满，同一级位移下3次循环加载的滞回环差别不大。
综合来看，剪跨比是影响构件滞回性能的关键因素，剪跨比较大的钢筋混凝土桥墩滞回曲线饱满，变形能力强，有较好的滞回耗能能力；而箍筋间距和轴压比对滞回性能的影响较小。
图6 滞回曲线 下载原图4.4刚度退化各构件的刚度退化曲线如图7所示。
由图7(a)可以明显看出，剪跨比较小的构件BP3和BP4在加载初期有着很高的刚度，对比构件BP2和BP4,剪跨比较小的构件BP4刚度是剪跨比较大构件BP2的近5倍。
但在加载初期，构件BP3和BP4的割线刚度迅速降低，在整个加载过程中割线刚度经历了陡降和缓降两个阶段，构件BP1和BP2刚度退化则比较平缓。
图7 刚度退化曲线 下载原图绘制割线刚度与初试刚度的比值与位移的关系，如图7(b)所示，得到刚度退化率曲线，可以更直观地比较各构件之间的刚度衰退程度。
从图7(b)中同样可以明显看出，剪跨比较小的构件BP3和BP4有着更为迅速的刚度退化。
4.5耗能能力试验中各构件的累积耗能—位移曲线如图8(a)所示。
构件的能量耗散还可以通过等效黏滞阻尼系数评价，等效黏滞阻尼系数与位移的关系如图8(b)所示。
图8 耗能曲线 下载原图在试验加载初期，相同位移下，剪跨比较小的构件耗能更大，在构件BP4破坏时的耗能约为构件BP2的3倍，这是由于在加载初期剪跨比较小的构件有着较大的刚度，可以耗散更多的能量。
对比最终的累积耗能，剪跨比较大的构件由于刚度下降缓慢且变形能力较强耗能更大，构件BP2的累积耗能约为构件BP4的2倍，这表明剪跨比较大的构件有着更良好的耗能能力。
同时，由图8(b)可以看出，构件BP1的耗能曲线位于构件BP2上方，这表明增大配箍率可以提升构件的耗能能力。
5 结语(1)剪跨比是影响高强钢筋混凝土桥墩破坏模式的重要因素。
剪跨比为1.76的高强钢筋混凝土桥墩裂缝开展更为缓慢，最终破坏模式为弯曲破坏形态；剪跨比为0.93的构件裂缝宽度较大，最终破坏模式为典型的剪切破坏。
(2)剪跨比为1.76的高强钢筋混凝土桥墩比剪跨比为0.93的构件具有更为饱满的滞回曲线，更强的变形能力和耗能能力，更为平缓稳定的刚度退化，表现出更优的抗震性能。
(3)与剪跨比0.93的高强钢筋混凝土桥墩相比，剪跨比为1.76高强钢筋混凝土桥墩的破坏位移增加3倍，累积耗能提高2倍，但承载能力降低1倍。
加密剪跨比为1.76构件的箍筋能够提高桥墩的延性系数达17%,这表明箍筋间距对高强钢筋混凝土桥墩的延性性能影响显著。
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