铁路桥梁抗震试验结果

滞回曲线也称为回复力曲线，根据试验过程中记录的力和位移数据，绘制出试验桥墩的滞回曲线，滞回曲线既能反映桥墩的试验过程中的力-位移关系，又能反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化和能量消耗，是确定回复力模型和进行非线性地震反应分析的重要依据。

滞回曲线的典型形状一般有四种：梭形、弓形、反S形和Z形。梭形说明滞回曲线的形状非常饱满，反映出整个结构或构件的塑性变形能力很强，具有很好的抗震性能和耗能能力。弓形具有“捏缩”效应，显示出滞回曲线受到一定的滑移影响，该滞回曲线的形状比较饱满，但饱满程度比梭形要低，反映出整个结构或构件的塑性变形能力比较强。反S形反映了更多的滑移影响，滞回曲线的形状不饱满，说明该结构或构件延性和吸收地震能量的能力较差。Z形反映出滞回曲线受到了较大滑移影响，具有滑移性质。如图4.4-1所示，SA-1的滞回曲线属于弓形，具有较好的塑性耗能能力，但在较大位移荷载下，墩身钢筋发生了滑移。

图4.4-1　模型SA-1的滞回曲线和骨架曲线

同方向（拉或压）加载的应力-应变曲线中，超过前一次加载最大应力的区段平移相连后得到的曲线称为骨架曲线，也可表述为滞回曲线上同向（拉或压）各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线。骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性（强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等），也是确定回复力模型中特征点的重要依据。

图4.4-2　模型SA-2滞回曲线和骨架曲线

图4.4-3　模型SA-3滞回曲线和骨架曲线

图4.4-4　模型SB-1滞回曲线和骨架曲线

图4.4-5　模型SB-2滞回曲线和骨架曲线

由图4.4-2～图4.4-5可知，与SA-1类似，SA-2、SA-3、SB-1、SB-2的滞回曲线属于弓形，具有较好的塑性耗能能力，但在较大位移荷载下，墩身钢筋发生了滑移。

通过观察5个试件的滞回曲线，可以得到如下规律：

（1）桥墩开裂以前，加载与卸载曲线近似直线，同时经历完整的一次循环加载后滞回环所包围的面积很小，因此可认为其处于弹性状态。

（2）桥墩开裂后，试件的截面刚度与整体刚度逐渐下降，滞回环的面积开始逐渐扩大，当力卸载为0时，出现残余位移，并且该位移随着加载循环周次的增加而急剧增大。

（3）随着纵筋屈服、塑性铰的形成，滞回环愈发饱满，体现出良好的滞回耗能特性。

（4）当水平荷载达到峰值以后，由于纵筋的屈曲、断裂、滑移及混凝土保护层脱落等原因，桥墩承载力开始下降，同时滞回曲线开始出现“捏拢”效应。

不同设计参数的桥墩滞回曲线有较大差异，上述分析只是定性地描述了各桥墩的滞回特性。因此，需要对滞回曲线进行进一步处理，以便定量地描述各设计参数与桥墩强度、位移/延性等抗震性能指标的关系。综合5个桥墩的试验结果，可见桥墩均发生了弯曲破坏。破坏形式总结如表4.4-1所示。

表4.4-1　试验构件累积耗能能力(www.xing528.com)

在以往的空心墩试验中，空心墩初始裂缝的发展与混凝土的压溃主要集中于墩底，这不仅是由于该截面本身就是薄弱截面，还可能是因为墩底与承台连接处施工缝的影响。但是工程中裂缝的产生与桥墩的破坏不一定从墩底开始，导致这一差异的原因之一是现有试验大多忽略了墩身底部的实体段，直接将空心段与承台相接，且大多为等截面构件。通过对试验中圆端形空心墩的观测可以发现，其初始裂缝虽同以往空心墩试验结果相同（产生于墩底），但塑性铰的产生却不是从墩底截面开始的；试验构件在墩底空心倒角截面附近，裂缝产生较早且较多，这也是试验前预测的塑性铰区；从裂缝宽度的发展也可看出，距墩底约42 cm处裂缝发展最快且宽度最大，最终破坏时，最不利截面也是集中在墩底空心截面倒角附近，这再次说明空心墩破坏不一定是从墩底截面展开的。因此，在对空心墩展开试验时，考虑墩底实体段和变截面构造更有利于还原实际工程中桥墩的破坏过程，从而更准确地对其进行抗震性能研究。

试验过程中，通过裂缝宽度测量仪可对裂缝宽度进行测量，试验测量的裂缝宽度为每一荷载等级第一次循环的值，每个构件均选取了3～5个典型弯曲裂缝进行测量，详细裂缝宽度值见表4.4-2～表4.4-6（发生混凝土剥落后，主裂缝宽度未做记录）。

表4.4-2　SA-1典型裂缝宽度记录

表 4.4-3　SA-2典型裂缝宽度记录

表4.4-4　SA-3典型裂缝宽度记录

表4.4-5　SB-1典型裂缝宽度记录

表4.4-6　SB-2典型裂缝宽度记录

分析测量结果可发现，在低水平荷载下裂缝扩展缓慢，钢筋屈服前后，裂缝宽度成倍增加，当接近最大侧向力时，裂缝宽度继续增加；从表4.4-1～表4.4-6可看出发展最迅速且宽度最大的裂缝均距墩底42 cm左右（除SB-2外），且该截面附近的最终破坏程度也最大，该处裂缝发展情况如图4.4-6所示。

图4.4-6　特征截面裂缝宽度发展

构件的骨架曲线能很好地反映其在循环往复荷载下的承载能力和延性性能。试验中，通过MTS数据采集系统能记录各级水平加载下加载点（墩顶）的力与位移，将各等级下的数据汇总为圆端形空心墩的滞回曲线，选取该滞回曲线的外包络线作为试验构件的力-位移骨架曲线，如图4.4-7所示。

图4.4-7　不同配箍率、轴压比的构件骨架曲线

通过骨架曲线可看出，配箍率对骨架曲线的影响主要集中在构件屈服后的高水平荷载作用阶段。屈服后3个构件均表现出较好的延性，配箍率最低（0.325%）的构件，也具有一段较长的平直段且产生了较大的塑性变形；配箍率高的构件塑性变形更大、骨架曲线平直段也更长，这说明提高配箍率能提高圆端形空心墩的延性；但观察其最大侧向力可发现，增加配箍率对承载能力的增强作用不大。通过图4.4-7骨架曲线可以看出，轴压比不同的3个构件，在承载能力及延性性能上差距较大，SB-1相对SA-2最大侧向力下降了40%左右，但SB-1首次屈服点相对SA-2出现较早且平直段较长、塑性变形较大，其延性性能更好。由此可见，降低轴压比虽能提高圆端形空心墩的延性能力，但却极大削弱了其承载力。