钢筋混凝土桥墩束筋承载能力试验研究

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工程实际中,为解决桥墩钢筋应力超限等问题,通常将钢筋两根或三根(并列成束)并列形成束筋。在我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)中提出了束筋的构造规定。束筋常用作钢筋混凝土桥墩的抗震措施。但是,关于地震作用下束筋混凝土桥墩的真实承载能力、动力荷载下束筋承载力提高系数等问题的研究成果尚少,且规范未明确提及地震作用下束筋承载力。因此,有必要开展钢筋混凝土桥墩束筋承载能力试验研究。本文研究目的是揭示束筋与混凝土粘结锚固机理及失效模式;通过静力荷载下束筋拉拔试验,结合钢筋握裹强度公式计算静力荷载下束筋的锚固强度;通过束筋混凝土构件拟静力试验和有限元数值分析,以及束筋混凝土桥墩有限元分析得出束筋混凝土桥墩的抗震性能、束筋失效模式和动力作用下束筋承载力提高系数。论文主要研究内容和研究成果如下:(1)分析束筋与混凝土之间粘结锚固作用的机理;讨论混凝土材料特性、束筋直径、束筋根数等因素对束筋与混凝土粘结锚固的影响方式;分析束筋与混凝土粘结锚固的失效模式与破坏特征。主要结论:束筋和单筋粘结锚固机制相同,其失效模式都是胶结力失效后由摩阻力和咬合力共同承载;最后钢筋产生较大滑移切断混凝土咬合,残余摩阻力克服滑移直到混凝土劈裂,钢筋拔出。(2)针对桥梁工程实际情况,选取典型桥墩混凝土标号及HRB400级钢筋,开展单筋和束筋混凝土构件的静力拉拔试验;分析束筋与单筋受力阶段、裂缝及破坏形态,揭示荷载-滑动变形关系和束筋锚固强度,分析束筋数量、混凝土强度等因素对束筋混凝土试件承载能力的影响,提出部分直径的束筋混凝土试件的试验锚固强度比。主要结论:相同条件下,单筋握裹效果最好,束筋锚固强度较低;提取部分直径束筋的锚固强度比,得出静力荷载下单筋/双筋/三筋的试验锚固强度比接近 1:0.63:0.50,小于规范换算取值1:1/(?):1/(?)=1:0.71:0.58。(3)考虑束筋根数与规格、混凝土强度、构件尺寸等因素,设计正交试验方案,开展束筋混凝土构件抗震性能拟静力试验,得到滞回曲线、骨架曲线、水平荷载-柱底钢筋应变曲线等,分析抗震束筋混凝土构件的耗能、延性性能、开裂破坏等性质和特征。主要结论:束筋混凝土构件的滞回曲线不饱满,呈反S形;单筋混凝土构件相比束筋构件延性更好;束筋耗能多但能量耗散系数相对较低,束筋构件刚度退化较快;取束筋构件屈服荷载与单筋构件屈服荷载做比较得出动力作用下直径22mm钢筋中,单筋/双筋/三筋的承载力提高系数比为1:1.04:1.50;直径28mm钢筋中,单筋/双筋/三筋的承载力提高系数比为1:1.27:1.65,均小于规范取值1:(?):(?)。(4)采用Midas/FEA建立束筋混凝土构件,建立荷载和位移关系,分析束筋混凝土构件承载能力,提出动力荷载下束筋混凝土构件承载力提高系数。主要结论:束筋混凝土构件模拟动力作用下直径22mm钢筋和直径28mm钢筋中单筋/双筋/三筋的承载力提高系数比分别为1:1.14:1.43和1:1.38:1.68,小于规范取值1:(?):(?)。(5)建立束筋混凝土桥墩有限元模型,模拟束筋实际应用在混凝土桥墩中对桥墩承载能力的影响,分析束筋混凝土桥墩破坏模式,提出动力荷载下束筋混凝土桥墩承载力提高比例。主要结论:束筋混凝土桥墩数值模型得到动力作用下直径28mm钢筋中,单筋/双筋/三筋承载力提高系数比为1:1.32:1.61,束筋桥墩抗震设计时按照规范取值或偏不安全。研究成果对束筋混凝土桥墩抗震分析提供理论依据,有助于更科学合理的开展束筋混凝土桥墩设计。
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