賴(lài)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(guó)在《中華人民共和國(guó)國(guó)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(lái)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(wèn)題，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)也有了更加嚴(yán)格的要求。對(duì)于混凝土橋梁局部受力結(jié)構(gòu)，我國(guó)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(duì)鋼纖維混凝土局部承壓?jiǎn)栴}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(guó)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(duì)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(guò)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(guò)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?；诖?，本文擬通過(guò)試驗(yàn)對(duì)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(lèi)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(duì)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(hào)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(guò)程中，對(duì)每組試件的筋強(qiáng)度、配箍率和箍筋類(lèi)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(niǎo)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(hào)及參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試件編號(hào)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(guò)模擬混凝土在箍筋約束下的受力情況，幫助研究人員開(kāi)展局部受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)輔助加載，通過(guò)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(duì)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(guò)對(duì)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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)對(duì)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(zhǎng)顯著，增長(zhǎng)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(shuō)明，無(wú)論采用哪種類(lèi)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(shuō)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(shì)。

（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(duì)箍筋約束混凝土構(gòu)件局部受力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的問(wèn)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(duì)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(yǔ)

本文針對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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。