配筋率对不锈钢钢筋混凝土桥墩冲击性能的影响

王迎峰

摘 要：为了研究配筋率对不锈钢钢筋混凝土桥墩的抗冲击性能影响，该次实验采用多功能超高重型落锤试验系统，分别对两组配筋率不同的不锈钢钢筋混凝土桥墩模型试件进行水平冲击试验研究，试验获取了试件的冲击力时程曲线、不锈钢钢筋应变时程曲线、位移时程曲线，试验结果表明：在相同冲击能量下，随着纵向配筋率的提高，不銹钢钢筋混凝土桥墩的抗冲击力提高，柱顶的位移减小，主要受力位置的不锈钢钢筋变形变小。

关键词：配筋率 不锈钢钢筋混土 桥墩 冲击

中图分类号：U443.22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（c）-0063-03

近年来，船舶撞击桥墩、汽车撞击高架桥墩等事件屡屡发生，建筑物时刻面临受到外部动荷载的影响，一旦受到破坏，对整个建筑物或构筑物带来很大的经济损失。目前工程中大部分是钢筋混凝土结构，所以，研究碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土结构的力学性能特别有意义。目前，国内一些重要工程中开始使用不锈钢钢筋材料，不锈钢钢筋具有很强的抗拉性能和耐腐蚀性能，国外对不锈钢钢筋材料应用比较早，对于不锈钢钢筋材料的静态力学性能研究比较多，但对于不锈钢锈钢材料结构的抗冲击性能研究不多。徐林枫[1]等对桥墩受到撞击力时桥墩所受的撞击力的计算方法进行了研究，GEORGIN J F[2]等对冲击荷载下钢筋混凝土构件进行了仿真分析，W.Fan[3]采用了冲击分谱法对桥梁结构受到船舶撞击力进行了分析研究，H.sharma[4]采用有限元数值模拟的方法研究了钢筋混凝土柱受到车辆撞击时的动力响应，周泽平[5]等对钢筋混凝土梁在低速冲击下的变形与破坏进行了研究，朱聪[6]等研究了碰撞荷载下的钢筋混凝土结构的动态响应以及损伤机理，Michigan Technological University[7]进行了不锈钢钢筋混凝土梁端粘结试验，赵峰[8-9]等进行了不锈钢钢筋混凝土梁、柱抗震性能试验。该文通过不同配筋率的不锈钢钢筋的桥墩来进行抗冲击性能的试验研究。

1 实验方案

1.1 试件设计

该次试验采用强度等级C40的混凝土，试件截面尺寸采用Φ340 mm，高度为2 200 mm，设计了两组不锈钢钢筋混凝土圆形桥墩试件，其中纵向钢筋均采用法国UGITCH公司生产的S2304双相不锈钢钢筋（UGIGRIP1.4362），纵向钢筋对称配筋，配筋率在2.08%～3.46%，箍筋采用Φ8 mm的普通钢筋HPB300。该次试验试件编号及设计参数见表1，小车的撞击速度参数见表2。

1.2 试验装置

该次试验在佛山科学技术学院的超高落锤冲击试验机上进行，落锤试验机是最常用的冲击试验装置，该试验机系统由竖向落锤试验机和水平牵引碰撞试验机两部分组成。为了模拟桥墩真实受力状态，桥墩试件通过高强螺栓固定在底座上，试件顶部轴力由安装在反力架上的千斤顶提供，试验装置如图1所示

1.3 测点布置

试验主要对钢筋应变以及试件位移进行了采集记录，根据试件的受力特点分析，自上而下共布置了6个钢筋应变片，如图2所示。试件撞击背面布置了3个最大量程为300 mm和1个最大量程为200 mm的C-300拉杆式电阻位移计，其布置如图3所示。

2 试验结果分析

2.1 冲击力时程曲线

图4为C1-20、C1-20a桥墩在冲击高度4 m时冲击力时程曲线图，通过冲击力时程曲线分析，冲击力曲线近似于三角形的脉冲信号曲线，碰撞过程发生在瞬间，冲击力时程曲线都经历迅速上升阶段达到峰值和迅速下降阶段趋于平衡。当落锤高度提升为4m高度时，小车在时间为1.08 s碰撞桥墩，此时冲击力会迅速出现峰值， 然后再开始慢慢减弱。在相同的锤重和小车的重量下，小车速度为2.2 m/s，C1-20a桥墩冲击力峰值为1 435 123N，而C1-20桥墩冲击力峰值为1 829 496N，冲击力峰值相对增加为27.4%。随着配筋率的增加，桥墩的整体刚度提高了，桥墩的抗冲击力也提高，在工程应用中，配筋率对于桥墩的抗冲击力设计具有重要的指导作用。

2.2 不锈钢钢筋时程曲线

图5为2#不锈钢钢筋应变时程图，2#钢筋位于桥墩底部，从图中可以分析得出，当小车碰撞桥墩模型试件时，2#不锈钢钢筋处于受拉状态，不锈钢钢筋处于弹性阶段，不锈钢钢筋变化曲线与冲击力曲线变化趋势大致相同，C1-20a桥墩模型试件钢筋应变为0.001 27，而C1-20的桥墩模型试件不锈钢钢筋应变为0.000 315，不锈钢钢筋应变相对减小为75.2%，由于配筋率的提高，桥墩整体的刚度及抗弯刚度增大，不锈钢钢筋钢筋的具有很强的抗拉强度，不锈钢钢筋变形变小。

2.3 位移时程曲线

图6为桥墩顶部1#位移时程曲线图，当桥墩试件受到撞击时，碰撞过程很短暂，位移迅速增大到峰值，然后又迅速回落。C1-20a的桥墩顶部1#位移为10.7 mm，产生了一定的残余变形，而C1-20的桥墩顶部1#位移为9.6 mm，产生残余变形很小。在相同冲击能量下，随着配筋率提高，桥墩顶部位移相对减少为10.2%。配筋率高的桥墩试件，抵抗变形能力增强，提高桥墩的抗冲击力能力。

3 结论

（1）在相同的冲击能量下，随着桥墩纵向钢筋配筋率提高，提高了桥墩静态受压承载力和抗冲击能力。

（2）通过不锈钢钢筋应变时程曲线分析，配筋率的提高，不锈钢钢筋受力变小，提高桥墩截面的抗弯刚度。

（3）在相同冲击能量下，通过位移时程曲线分析，配筋率提高，可以延缓桥墩进入塑性阶段，提高桥墩抗破坏能力，提高结构寿命。

参考文献

[1] 徐林枫，卢文两.桥墩撞击力学方法探究[J].科技创新导报，2014（1）：82-88.

[2] GEORGIN J F，REYNOUARD J M.Modeling of structures subjected toimpact concrete behavior under High strain rate[J].Cement & Concrete Composites，2003（25）：131-143.

[3] Fan W，Yuan W C.Shock spectrum analysis method for dynamic demend of bridge structures subjected to brige collisions[J].Computers & Structures，2012（90）：1-12.

[4] Sharma H，Hurlebaus S，GardoniP.Performance-based resposed evaluation of reinforced concrete columns subject to vehicle impact[J].International Journal of Impact Engineering，2012（43）：52-62.

[5] 周泽平，王明洋，冯淑芳，等.钢筋混凝土梁在低速冲击下的变形与破坏研究[J].振动与冲击，2007，26（5）：99-103.

[6] 朱聪.碰撞冲击荷载下钢筋混凝土结构的动态响应及损伤机理[D].天津：天津大学，2012.

[7] M Ahlborn，TC Denhaitigh comparative bond study of stainless and high-chromium reinforcing bars in concrete[J].Transportation research record Journal of the Trasportaion Research Board，2003，1845（1）：88-95.

[8] 张国学，赵峰.不锈钢钢筋混凝土梁抗震性能试验研究[J].中国铁道科学，2010（5）：35-40.

[9] Zhang Guoxue，ZhangZhihao，Wang Changwei.Seismic performance of stainless steel reinforced concrete columns[J].Advanced Science Letters，2011（8）：3119-3123.