配筋砌塊砌體橋墩大偏心受壓試驗分析

楊慶國,龔仕偉,潘劍青

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

配筋砌塊砌體橋墩大偏心受壓試驗分析

楊慶國,龔仕偉,潘劍青

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

采用配筋空心砌塊砌體結(jié)構(gòu)制作模型橋墩，研究了配筋空心砌塊砌體橋墩在大偏心受壓狀態(tài)下的破壞形態(tài)、承載能力和變形能力。研究表明：配筋空心砌塊橋墩在大偏壓作用下具有較好的承載能力，開裂位置大部分集中出現(xiàn)在墩身水平灰縫位置處；砌塊與鋼筋之間具有良好的黏接力和協(xié)同工作性能，其變形與鋼筋混凝土構(gòu)件類似；橋墩受拉側(cè)發(fā)生開裂與鋼筋屈服，受壓側(cè)發(fā)生砌體壓碎剝落，沒有出現(xiàn)脆性破壞和局部破壞，與鋼筋混凝土構(gòu)件偏壓破壞現(xiàn)象十分相似。

橋梁工程；混凝土空心砌塊；配筋砌塊砌體；橋墩；大偏心受壓

0 引 言

混凝土空心砌塊是混凝土以預(yù)制塊的形式取代傳統(tǒng)的燒結(jié)磚等的墻體材料，其自重比傳統(tǒng)的實心磚和實心砌塊小很多，表面也相對平整，是一種環(huán)保節(jié)能的綠色墻體材料，目前由其組成的配筋砌體已廣泛地應(yīng)用在剪力墻、構(gòu)造柱、承重墻等實際工程結(jié)構(gòu)中[1-2]。配筋砌塊砌體相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大大減少了模板用量，幾乎不用模板來塑型，降低了成本?，F(xiàn)有研究表明，配筋混凝土空心砌塊砌體結(jié)構(gòu)在建筑上的應(yīng)用起到了和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)淖饔?，甚至還超越了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一些性能，并且其具有比傳統(tǒng)的配筋砌體更好的抗震性能[3-4]。

橋墩作為橋梁的主要支撐部分，承擔(dān)著上部結(jié)構(gòu)的重力與荷載，在偏壓作用下的承載能力是橋墩設(shè)計中的重要部分[5]。配筋空心砌塊砌體結(jié)構(gòu)能否在小型橋梁建設(shè)中取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為橋墩，需要通過試驗及實際工程運用進行驗證。工程實際中的配筋混凝土橋墩是柔性橋墩，而柔性橋墩的破壞形式大多為大偏心受壓破壞，筆者采用配筋空心砌塊砌體結(jié)構(gòu)制作模型橋墩，通過模擬橋墩在大偏心受壓狀態(tài)下的受力狀態(tài)，研究其破壞形態(tài)、承載能力和變形能力，具有重要的理論價值和工程實際意義[6-7]。

1 配筋砌塊橋墩設(shè)計與制作

1.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計了高為2 m的模型橋墩，砌體部分截面尺寸為150 mm×300 mm，高1.4 m；兩端為牛腿，頂?shù)酌娉叽鐬?50 mm×500 mm，每端高0.3 m，材料為鋼筋混凝土,構(gòu)件截面尺寸見圖1。令圖1構(gòu)件右側(cè)為正面，左側(cè)為背面，剩下兩側(cè)為側(cè)面。

圖1 構(gòu)件截面尺寸Fig.1 Component cross-sectional dimension

配筋砌塊砌體橋墩偏壓試驗采用大偏心受壓來設(shè)計加載。根據(jù)實際工程中橋墩的受力特性及模型橋墩的截面尺寸，本試驗的偏心距取200 mm。

1.2 橋墩模型制作

1.2.1 試驗材料

本次試驗的配筋砌塊橋墩包括混凝土小型空心砌塊、砂漿、灌孔砂漿、豎向鋼筋、水平箍筋。構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)為：砌塊強度等級MU10，砂漿強度等級MB10，灌孔砂漿強度等級CB20，豎向鋼筋14B8，箍筋A(yù)4@200，砌體部分截面尺寸150 mm×300 mm。

其中混凝土小型空心砌塊尺寸為390 mm× 190 mm×190 mm，具體尺寸見圖2。砌塊的材料由石粉、河砂、水泥及水按一定的配合比自制而成，其強度等級為MU10[3]。

圖2 混凝土小型空心砌塊尺寸Fig.2 Size of small concrete hollow block

鋼筋等級為HRB335，直徑為 8 mm。采用的砂漿為混凝土小型空心砌塊專用砂漿，強度等級為MB10。參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》以及考慮到灌孔砂漿塌落度的要求，可取灌孔砂漿強度等級為CB20。

1.2.2 模型橋墩制作

構(gòu)件上下砌塊間要錯縫搭砌，如圖3(a)。每一層有7塊混凝土小型空心砌塊，上、下層對孔錯縫砌筑，每個孔洞配置一根φ8的豎向鋼筋，每200 mm設(shè)置φ4鍍鋅鐵絲的水平箍筋，具體尺寸及鋼筋配置見圖3(b)。在其頂端和底部設(shè)置牛腿，牛腿為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[8]。

圖3 砌塊砌筑及配筋Fig.3 Masonry and reinforced masonry

2 試驗內(nèi)容及方法

2.1 加載裝置及步驟

本次試驗以靜力加載形式加載，荷載施加采用50 t油壓千斤頂進行施壓，加載裝置如圖4。

圖4 加載裝置Fig.4 Loading device

加載前對構(gòu)件進行預(yù)壓，預(yù)壓荷載在理論極限荷載的5%～20%的范圍內(nèi)，即10～42 kN之間，次數(shù)宜為3～5次；采用分級加載的形式對構(gòu)件進行加載，每一級施加的荷載為極限荷載的10%，即21 kN，施荷應(yīng)均勻，每級施荷時間在1～1.5 min，每級荷載保持不動1～2 min；試驗中荷載加至極限荷載的50%后，每一級的荷載減至極限荷載的5%。

2.2 觀測內(nèi)容及方法

1)測試橋墩承載力。通過力傳感器測得應(yīng)變，由YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為荷載，每級荷載都可以人為地控制和采集。

2)測試鋼筋應(yīng)變。采用在鋼筋表面貼鋼筋應(yīng)變片并連接到智能靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上，通過數(shù)據(jù)采集測得鋼筋的應(yīng)變。試驗采用的鋼筋應(yīng)變片規(guī)格為3 mm×2 mm電阻應(yīng)變片。橋墩正面的1/4，1/2和3/4墩高處分別設(shè)置了3個應(yīng)變片，并排粘貼在側(cè)面3根縱向鋼筋上，應(yīng)變片測點布置見圖5(a)，背面應(yīng)變片布置與正面相同。

圖5 應(yīng)變片位置Fig.5 Location of strain gauges

3)測試砌體應(yīng)變。在配筋砌塊砌體橋墩表面粘貼了10個規(guī)格為80 mm×3 mm的BX120-80AA型電阻應(yīng)變片，依次命名為QYB1～10，其中QYB1～4在橋墩背面，QYB3～4與QYB1～2分別在3/8、5/8墩高處，且QYB1～4均距對應(yīng)側(cè)面50 mm，QYB5～8在橋墩正面，位置與QYB1～4對應(yīng)，如圖5(a)；QYB9與QYB10在1/2橋墩處，且QYB9在距橋墩背面125 mm處，QYB10在距橋墩正面125 mm處，如圖5(b)。

4)測試橋墩跨中的最大撓度值，在橋墩背面1/4，1/2和3/4墩高處設(shè)置了3個百分表位移計，每一個百分表的最大量程為3 cm，通過百分表表座固定在豎向鋼板上。百分表測點布置見圖4(a)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 橋墩破壞過程

配筋混凝土小型空心砌塊砌體橋墩從開始加載到最終屈服破壞，根據(jù)裂紋發(fā)展及荷載位移曲線，整個過程大致可分為3個階段：

第1階段：橋墩從開始受力到出現(xiàn)初始裂紋。此時荷載為構(gòu)件的開裂荷載，初始裂紋出現(xiàn)在構(gòu)件背面受拉區(qū)水平砌縫位置處，構(gòu)件的開裂荷載為極限荷載的22.2%。初始裂紋見圖6(a)。

第2階段：隨著荷載的持續(xù)增加，原有裂紋不斷變長并開始貫穿受拉區(qū)，裂紋不斷增多，大部分裂紋都出現(xiàn)在受拉區(qū)的水平砌縫中，形成一排等間距的橫向裂紋〔圖6(b)〕。此時構(gòu)件的應(yīng)變增大，裂紋寬度也隨之變大，當(dāng)達到屈服荷載時，受拉區(qū)鋼筋屈服。

圖6 初始裂紋與等間距裂紋Fig.6 Initial crack and equally spaced cracks

第3階段：加載到后期，油壓千斤頂一直上升，但荷載卻變化很小，位移和應(yīng)變不斷變大，并伴隨著出現(xiàn)豎向裂紋〔圖7(a)〕；達到極限荷載后，荷載不斷減小，位移和應(yīng)變?nèi)栽谠龃?，砌體變形越來越大，受壓區(qū)砌體開始外鼓、豎向裂紋變多變寬，砌體被壓碎剝落〔圖7(b)〕，最后構(gòu)件因砌體材料破壞而喪失承載能力。

圖7 豎向裂紋與砌體外鼓剝落Fig.7 Vertical crack and external drum spalling of masonry

3.2 承載力及位移分析

由試驗得到荷載-位移曲線(圖8)。由圖8可知，從開始加載到荷載達到100 kN左右的過程中，1/4墩高處和3/4墩高處的位移基本相同，而1/2墩高處的位移走勢較快，這一現(xiàn)象符合大偏心受壓構(gòu)件的變形趨勢；當(dāng)荷載達到200 kN左右時，曲線進入了明顯的平緩階段，增加少量荷載引起較大的位移；在到達極限荷載后，荷載很難再加載上去，但位移繼續(xù)增加；停止加載后荷載迅速下降，則構(gòu)件遭到破壞。構(gòu)件的開裂荷載為極限荷載的22.2%，試驗極限荷載稍大于理論計算值，這和理論計算值設(shè)計時偏安全考慮有關(guān)。配筋砌塊砌體橋墩與鋼筋混凝土構(gòu)件在大偏心受壓下受力及變形十分相似，都具有較好的受力變形性能。

圖8 荷載-位移曲線圖Fig.8 Load-displacement curve

3.3 砌體應(yīng)變

試驗得到砌體的荷載-應(yīng)變曲線見圖9。各應(yīng)變片測得的極限壓應(yīng)變值在0.003左右，與混凝土的極限壓應(yīng)變0.003 3十分接近。由圖9(a)可知：荷載值接近50 kN時，QYB1，QYB2，QYB4應(yīng)變有明顯的突變，表明砌體受拉側(cè)開裂(QYB3被損壞，圖中未給出該曲線)，荷載達到200 kN時，曲線趨于平緩，表明受拉鋼筋開始屈服；由圖9(b)可知，受壓側(cè)的砌體應(yīng)變在荷載值為120 kN左右時應(yīng)變有突變，荷載值在200 kN左右，曲線趨于平緩，表明受壓區(qū)鋼筋開始屈服；通過圖9(c)也可看出在荷載接進50 kN的時候，受拉區(qū)應(yīng)變有突變，荷載接近200 kN時，受壓區(qū)荷載-應(yīng)變曲線趨于平緩。表明砌體結(jié)構(gòu)受壓承載能力與混凝土受壓承載能力相差不大，具有良好的抗壓性能。

圖9 砌體荷載-應(yīng)變曲線Fig.9 Masonry load-strain curve

3.4 鋼筋應(yīng)變

圖10為鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線。由圖10可知，鋼筋拉應(yīng)變和壓應(yīng)變走勢基本相同，拉應(yīng)變在50 kN左右時有突變，到極限荷載前拉應(yīng)變一直都比壓應(yīng)變大，直到受拉鋼筋達到極限荷載后，受壓鋼筋壓應(yīng)變迅速增加；鋼筋材料屈服強度為373.8 MPa，彈性模量為2.0×105MPa，可計算鋼筋的屈服應(yīng)變值為1 869 με。受拉鋼筋和受壓鋼筋應(yīng)變均超過鋼筋的屈服應(yīng)變，表明鋼筋均已屈服，而受拉鋼筋屈服要早于受壓鋼筋，受壓鋼筋和受拉鋼筋均達到極限荷載時，構(gòu)件已經(jīng)達到極限承載力。

圖10 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線Fig.10 Reinforced load-strain curve

4 結(jié) 論

對配筋砌塊砌體橋墩進行了大偏心受壓試驗，分析試驗結(jié)果得出如下結(jié)論：

1)配筋砌塊砌體橋墩的破壞過程與鋼筋混凝土橋墩相似，沒有出現(xiàn)脆性破壞和局部破壞，表明具有良好的變形和延性性能；構(gòu)件的極限荷載稍大于理論計算值，這和理論計算值設(shè)計時偏安全考慮有關(guān)。

2)構(gòu)件達到極限荷載時的位移并不是最大位移，與鋼筋混凝土構(gòu)件在大偏心受壓下受力及變形性能十分相似，都具有較好的受力變形性能。

3)應(yīng)變片測得的極限壓應(yīng)變與混凝土的極限壓應(yīng)變0.003 3十分接近；砌體結(jié)構(gòu)受壓承載能力與混凝土受壓承載能力相差不大，具有良好的抗壓性能。

4)鋼筋拉應(yīng)變和壓應(yīng)變走勢基本相同，受拉鋼筋和受壓鋼筋應(yīng)變均超過鋼筋的屈服應(yīng)變，砌塊、砂漿、灌孔混凝土、縱向鋼筋之間具有較好的協(xié)同工作性能。

配筋混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)的各項性能較好，在橋墩中采用該種結(jié)構(gòu)能滿足橋墩的一些基本受力特性要求，如偏壓承載能力、變形性能、延性能力等，此種結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于一些小型城市橋梁或鄉(xiāng)村橋梁中。

[1] 楊偉軍，施楚賢，胡慶國.配筋砌塊砌體剪力墻的研究和應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2002，32(9) :64-66. YANG Weijun, SHI Chuxian, HU Qingguo. Research and application on reinforced block masonry shear wall[J].IndustrialConstruction,2002,32(9):64-66.

[2] 孫恒軍. 配筋砌體基本力學(xué)性能及其墻片抗震性能的試驗研究[D]. 上海：同濟大學(xué),2001. SUN Hengjun.BasicMechanicalPropertiesandReinforcedMasonryWallofSeismicPerformanceExperimentalResearch[D]. Shanghai: Tongji University,2001.

[3] 施楚賢，謝小軍. 混凝土小型空心砌塊砌體受力性能[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999，29(3):10-12. SHI Chuxian, XIE Xiaojun. Mechanical behavior of concrete small-sized hollow block masonry[J].BuildingStructure,1999,29 (3):10-12.

[4] 李璐，周水興，江雄飛. 雙薄壁-獨墩組合型橋墩合理構(gòu)造形式研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,31(1):19-21. LI Lu, ZHOU Shuixing, JIANG Xiongfei. Research on composite pier structural form of double thin-wall and single pier[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2012,31(1):19-21.

[5] LEHMAN D, MOEHLE J, MAHIN S, et a1. Experimental evaluation of the seismic performance of reinforce med concrete bridge columns[J].StructuralEngineering,2004,130(6):869-897.

[6] 周水興，滿澤聯(lián)， 周光強，等. 連續(xù)剛構(gòu)橋組合式橋墩臨界荷載分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,33(1):17-20. ZHOU Shuixing, MAN Zelian, ZHOU Guangqiang, et al. Critical load of combined pier for continuous rigid frame bridge[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2014,33(1):17-20.

[7] 李利群，劉偉慶.混凝土小型空心砌塊約束砌體的非線性有限元分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24(3):15-19. LI Liqun, LIU Weiqing. Nonlinear finite element analysis of concrete small hollow block restrained masonry[J].JournalofNanjingTechUniversity,2002,24(3):15-19.

[8] 王琴,陳世民. 長細比對空心薄壁高墩穩(wěn)定性的影響[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,28(增刊1):380-382. WANG Qin, CHEN Shimin. Influence of height and length ratio on the stability of thin-wall high pier with single box and three chambers[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2009,28(Sup1):380-382.

Large Eccentric Compression Test of Reinforced Concrete Masonry Piers

YANG Qingguo, GONG Shiwei, PAN Jianqing

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China)

The reinforced hollow block masonry structure was used to make pier models, and the failure mode, bearing and deformation capacity of the pier models under large eccentric compression were studied. Studies show that reinforced hollow block pier has a better bearing capacity under the action of large bias, and the crack location mostly appears at the shafts of horizontal mortar joint location; there are good adhesive strength and cooperative working performance between block and steel, whose deformation is similar to the one of reinforced concrete member; the tension side of the bridge pier appears crack and steel yield, and the pressure side has masonry crushed flake without brittle failure and local failure, which is very similar to the bias damage of reinforced concrete member.

bridge engineering; concrete hollow brick; reinforced holllow block masonry; bridge piers; large eccentric compression

2015-07-20；

2015-12-01

楊慶國(1969—)，男，河南洛陽人，教授，博士，主要從事路橋相關(guān)力學(xué)方面的研究。E-mail：yangqg7053@126.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.04

U443.2

A

1674-0696(2016)06-016-04