賴俊鋼

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

我國在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出“加強(qiáng)建設(shè)現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系”。公路橋梁作為交通體系中至關(guān)重要的一部分，近年來迅速發(fā)展。但隨著橋梁跨度的不斷增大，相關(guān)項(xiàng)目也出現(xiàn)了一系列新的技術(shù)問題，對橋梁結(jié)構(gòu)也有了更加嚴(yán)格的要求。對于混凝土橋梁局部受力結(jié)構(gòu)，我國學(xué)者進(jìn)行了很多研究且已有一些成果得以推廣應(yīng)用［1-2］，楊波等［3］對鋼纖維混凝土局部承壓問題進(jìn)行了研究，并提供相關(guān)計(jì)算公式。隨著結(jié)構(gòu)形式和材料的發(fā)展，邱明紅等［4］提出超高性能混凝土（UHPC）局部承壓承載力計(jì)算方法，為國內(nèi)UHPC橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制提供了參考。倪洪將等［5］對比分析了不同加載區(qū)域和偏載位置下的混凝土力學(xué)性能。肖飛等［6］采用雙重環(huán)箍的箍筋形式進(jìn)行局部承壓的模擬分析，得出雙重環(huán)箍的樁柱具有更好的延性和承載力，更利于施工。

混凝土橋梁局部受力結(jié)構(gòu)是通過局部受力區(qū)域?qū)⒑奢d傳遞至支撐結(jié)構(gòu)，然而局部受力區(qū)域下的混凝土承受較高的應(yīng)力會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)變形。通常，采用螺旋箍筋或者焊接網(wǎng)片約束混凝土，通過螺旋箍筋或焊接網(wǎng)片使局部受力區(qū)域下的混凝土形成約束混凝土，提高混凝土的強(qiáng)度和剛度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的局部受力區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布散亂、變形協(xié)調(diào)困難，因此通常需要將其作為單獨(dú)隔離體計(jì)算受力情況，而目前使用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法較為復(fù)雜。基于此，本文擬通過試驗(yàn)對箍筋約束混凝土局部受力情況進(jìn)行分析，找出影響混凝土橋梁局部承載力的主要因素，為局部受力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析提供思路。

1 局部受力試驗(yàn)

鑒于混凝土局部受力結(jié)構(gòu)在使用年限中會(huì)承受多種類型的力，包括拉力、壓力、剪切力和扭力等，受力情況復(fù)雜，因此本文針對局部受力結(jié)構(gòu)的受壓和受剪2 種受力情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)設(shè)置如下：①試驗(yàn)的試件規(guī)格選擇150 mm×150 mm×150 mm 的立方體，其中內(nèi)置的箍筋采用2 種方式，即矩形螺旋箍筋和矩形箍筋。②選擇C60 標(biāo)號的混凝土材料、直徑為6 mm 的高強(qiáng)度鋼筋和HRB500 熱軋帶肋鋼筋，其中鋼筋抗拉強(qiáng)度不低于1 860 MPa。③一共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，分別為A 組、B 組和C 組，其中每組試驗(yàn)7 個(gè)試件。在試驗(yàn)過程中，對每組試件的筋強(qiáng)度、配箍率和箍筋類型進(jìn)行設(shè)置，每組試驗(yàn)的箍筋間距從最初的2 cm 逐漸增加到8 cm，而配筋率也從最初的1.38%逐漸降至0.25%。A 組和B 組試驗(yàn)采用矩形螺旋箍筋，其中A 組試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，而B組試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度為630 MPa，C 組試驗(yàn)采用矩形箍筋，其抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。試件編號及參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試件編號及參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 局部受壓試驗(yàn)

進(jìn)行局部受壓試驗(yàn)時(shí)，主要采用圓柱體剛性模型模擬箍筋約束混凝土的局部受壓情況，該模型通過模擬混凝土在箍筋約束下的受力情況，幫助研究人員開展局部受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)輔助加載，通過控制位移的加載方式，確保施加荷載的穩(wěn)定性，當(dāng)試件被加載至完全受損時(shí)，局部承載力的大小為局部受壓的極限承載力。試驗(yàn)中箍筋約束混凝土的局部受壓模擬如圖1所示，其中Q表示軸向壓力，h表示試件的高度，b表示試件的寬度。

圖1 箍筋約束混凝土的局部受壓模擬

1.2 局部受剪試驗(yàn)

混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，主要表現(xiàn)為劈裂破壞和剪切破壞2 種形式。然而，當(dāng)前對混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)的受剪承載力試驗(yàn)的研究較少。因此，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可信度，在進(jìn)行局部受壓結(jié)構(gòu)受剪試驗(yàn)時(shí)，主要采用箍筋約束混凝土構(gòu)件進(jìn)行剪切試驗(yàn)。通過對箍筋強(qiáng)度、箍筋形式和箍筋配筋率3個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)研究和分析，總結(jié)受剪極限承載力的變化規(guī)律，為后續(xù)受剪結(jié)構(gòu)試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。剪切試驗(yàn)步驟按照本文“1.1”章節(jié)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)的加載實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)的加載實(shí)驗(yàn)過程

2 結(jié)果分析與討論

2.1 局部受壓試驗(yàn)結(jié)果

表2為不同變量下局部受力結(jié)構(gòu)的局部受壓極限承載力大小，從表2中的數(shù)據(jù)可以分析得出，當(dāng)箍筋的螺距從20 mm 增加至80 mm 時(shí)，1 860 MPa 螺旋箍筋的強(qiáng)度從296.64 MPa 逐漸下降至128.33 MPa；HRB500 螺旋箍筋的強(qiáng)度從171.46 MPa 逐漸下降至87.04 MPa；1 860 MPa 矩形箍筋的強(qiáng)度從301.24 MPa逐漸下降至134.99 MPa。以上結(jié)果說明：隨著螺距的不斷增加，3種箍筋的強(qiáng)度均逐漸下降。其中，當(dāng)箍筋的螺距從20 mm 變?yōu)?0 mm 時(shí)，1 860 MPa 螺旋箍筋強(qiáng)度降低了60.62 MPa；HRB500 螺旋箍筋強(qiáng)度降低了37.24 MPa；1 860 MPa 矩形箍筋強(qiáng)度降低了64.13 MPa，3 種箍筋的局部受壓極限承載力均大幅度下降。

表2 局部受壓極限承載力試驗(yàn)值

圖3 為局部受壓承載力試驗(yàn)結(jié)果。通過對圖3 中的箍筋約束混凝土局部受壓承載力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

圖3 局部受壓承載力試驗(yàn)結(jié)果

（1）結(jié)合表2 中數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)，矩形箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載能力較好，與矩形螺旋箍筋約束混凝土試件相比，兩者之間的承載能力差距較小。

（2）如果選擇矩形箍筋作為箍筋的形式，并且箍筋強(qiáng)度為1 860 MPa 時(shí)，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受力極限承載力約是HRB500 螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的承載能力的1.5倍。

（3）分析圖3 可以發(fā)現(xiàn)，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載力與配筋率呈線性正比關(guān)系。當(dāng)配筋強(qiáng)度相同時(shí)，線性方程的斜率越大，箍筋的強(qiáng)度越高，意味著其承載能力越大，特別是當(dāng)配筋強(qiáng)度達(dá)到1 860 MPa 時(shí)，箍筋約束混凝土構(gòu)件的承載能力增長顯著，增長速度最快。

2.2 局部受剪試驗(yàn)結(jié)果

表3 為不同變量下箍筋約束混凝土局部受力結(jié)構(gòu)的局部受剪極限承載力試驗(yàn)值，從表3中的數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)螺距從20 mm 增加到80 mm 時(shí)，1 860 MPa螺旋箍筋的強(qiáng)度從601.3 MPa逐漸下降到333.6 MPa，HRB500 螺旋箍筋的強(qiáng)度從450.2 MPa 逐漸下降到249.8 MPa，1 860 MPa 矩形箍筋的強(qiáng)度從610.2 MPa逐漸下降到328.4 MPa。以上結(jié)果說明，無論采用哪種類型的箍筋，隨著其螺距的不斷增加，抗剪承載力不斷降低。

表3 局部受剪極限承載力試驗(yàn)值

根據(jù)圖4 中的箍筋約束混凝土局部受剪承載力試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

圖4 局部受剪承載力試驗(yàn)結(jié)果

（1）當(dāng)鋼筋的強(qiáng)度達(dá)到1 860 MPa 時(shí)，與螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件相比，采用矩形箍筋的約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力高出約1/3。因此，矩形箍筋的約束混凝土在局部受剪承載力方面的表現(xiàn)更出色。

（2）如果配筋率相同，相比HRB500螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件，1 860 MPa螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力高出約1/4，說明高強(qiáng)度的1 860 MPa螺旋箍筋在局部受剪承載力方面具有明顯的優(yōu)勢。

（3）圖4 為局部受剪承載力試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)圖4可知，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力與配筋率成正比關(guān)系，斜率越大，即配筋率越高，鋼筋強(qiáng)度越高，承載力也隨之增強(qiáng)。

2.3 工程應(yīng)用建議

結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果和研究人員的施工經(jīng)驗(yàn)，針對箍筋約束混凝土構(gòu)件局部受力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的問題，本文提出提高局部受力結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的建議。首先，針對混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)，在選擇鋼筋材料時(shí)應(yīng)考慮選用高強(qiáng)度的鋼筋材料，提升鋼筋混凝土的約束能力和強(qiáng)度，增強(qiáng)局部受力結(jié)構(gòu)的抵抗能力，最大限度地降低局部受力結(jié)構(gòu)受損的可能性，提高建筑物受力區(qū)域的穩(wěn)定性和安全性。其次，在相同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，除了選擇高強(qiáng)度的鋼筋材料，還應(yīng)該相應(yīng)地減小鋼筋率，不僅有助于提高混凝土澆筑的效率，還能夠在確保澆筑質(zhì)量的同時(shí)降低材料成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)性能的平衡。

3 結(jié)語

本文針對箍筋約束混凝土結(jié)構(gòu)的受壓和受剪性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出關(guān)鍵性結(jié)論如下：①在受壓方面，局部受力結(jié)構(gòu)的受壓極限承載力與配筋率呈正比關(guān)系。當(dāng)配筋強(qiáng)度相同時(shí)，線性方程的斜率越大，鋼筋的強(qiáng)度越高，結(jié)構(gòu)的承載能力提高越快。②矩形箍筋約束混凝土試件相對于螺旋箍筋試件具有更高的承載能力，能提高受力結(jié)構(gòu)的受壓性能。③在受剪方面，局部受力結(jié)構(gòu)的受剪承載力包括混凝土抗剪承載力和箍筋抗剪承載力，通過采用高強(qiáng)度的箍筋配置，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力。矩形箍筋相對于螺旋箍筋可以使箍筋約束混凝土試件的受剪承載力提高約35%。④當(dāng)配筋率相同時(shí)，HRB500 螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件相對于1 860 MPa螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力略低，表明配筋率與局部受壓和受剪承載力都呈線性正比關(guān)系，并且高強(qiáng)度的鋼筋配置可顯著提高結(jié)構(gòu)的承載能力。