獨(dú)柱式四樁承臺(tái)破壞模式及抗裂性能的試驗(yàn)研究

1、獨(dú)柱式四樁承臺(tái)破壞模式及抗裂性能的試驗(yàn)研究 健1龍佩恒1張連普2劉慶仁2王( 11 土木工程系 ,北京 100044)( 21 北京市政設(shè)計(jì)研究總院 ,北京 100035)摘要 : 通過模型試驗(yàn)研究 ,確定了獨(dú)柱式四樁承臺(tái)的破壞模式和力學(xué)計(jì)算模型 ,在分析試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上 ,提出了改善承臺(tái)混凝土抗裂性能的技術(shù)措施及方法. 研究結(jié)果對(duì)城市橋梁現(xiàn)行的獨(dú)柱式四樁承臺(tái) 設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義 .關(guān)鍵詞 :樁基 ;承臺(tái) ;模型 ;抗裂性中圖分類號(hào) : u 443 . 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :a和改善抗裂性能的技術(shù)方法 ,試驗(yàn)結(jié)論對(duì)現(xiàn)行的承臺(tái)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義.0引言樁基承臺(tái)是將樁基礎(chǔ)和橋

2、墩連接為整體并將橋梁上部荷載傳遞給樁基的重要構(gòu)件. 承臺(tái)受力復(fù)雜 ,影響因素很多 ,在工程設(shè)計(jì)中采用何種計(jì)算模式對(duì) 計(jì)算結(jié)果影響很大 ,并直接影響結(jié)構(gòu)的安全使用. 目前國(guó)內(nèi)外采用的計(jì)算方法有 : 我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范采用“桁架法或深梁法”,美國(guó)和前蘇聯(lián)采用“以板梁理 論為基礎(chǔ)的受彎構(gòu)件計(jì)算方法”,英國(guó)和加拿大采用 “桁架 (拉壓桿) 力學(xué)模型”等 . 獨(dú)柱式四樁承臺(tái)作為城市橋梁廣泛采用的承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式 ,其特點(diǎn)是承臺(tái) 所受墩柱作用荷載大 ,樁間距和樁柱間距小的特點(diǎn) , 其受載破壞模式與常用樁基承臺(tái)的計(jì)算方法存在一定的差異 ,目前 ,獨(dú)柱式四樁承臺(tái)的破壞模式尚沒有 確定的力學(xué)模型 ,如何確定其力學(xué)模型

3、一直困擾著設(shè)計(jì)人員 ,致使在設(shè)計(jì)過程中只能采用最保守的計(jì) 算模式 ,以確保設(shè)計(jì)的安全性 ,在一定程度上存在材 料浪費(fèi)的問題 ,同時(shí)承臺(tái)開裂后 ,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是影響其使用壽命的關(guān)鍵 ,特別是埋于地下 的混凝土結(jié)構(gòu)受地下水和腐蝕性物質(zhì)的侵蝕 ,混凝 土材料退化 、鋼筋銹蝕問題將進(jìn)一步加劇混凝土裂縫的擴(kuò)展. 因此 ,提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能對(duì)改善 承臺(tái)使用性能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要作用.針對(duì)這一問題 ,本文進(jìn)行了獨(dú)柱式四樁承臺(tái)破壞模 式及抗裂性能的試驗(yàn)研究 ,以確定其力學(xué)計(jì)算模式1 模型試驗(yàn)111模型尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型幾何比例為 1/ 4 ,模型尺寸 、平 面及立面圖如圖 1 、2 所

4、示.112模型材料承臺(tái)模型分別采用普通混凝土和鋼纖維混凝土 材料 。(見表 1)113實(shí)驗(yàn)加載方法將出現(xiàn)肉眼可見 ( 約 0 . 002 mm) 裂縫時(shí)荷載定 義為初裂荷載 ,將裂縫達(dá)到 0 . 2 mm 時(shí)的荷載定義為 開裂荷載 ,將加荷至試件變形無法穩(wěn)定 、無法持荷而卸載時(shí)所達(dá)到的荷載定義為極限荷載 .每一個(gè)承臺(tái)模型在實(shí)驗(yàn)加載前首先讀取鋼筋和 混凝土應(yīng)力測(cè)點(diǎn)初讀數(shù). 加載級(jí)差為 200 kn ,通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)監(jiān)控 ,初期裂縫產(chǎn)生之后加載級(jí)差改為 100 kn ,直至終極荷載 3 000 kn 或承臺(tái)完全破壞.加載情況如圖 3 、4 所示 ,利用油壓千斤頂加壓 , 模擬墩底垂直力荷載.

5、在各級(jí)荷載下 ,用靜態(tài)電阻應(yīng) 變儀量測(cè)混凝土及鋼筋測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值 ,用放大鏡量測(cè)裂縫寬度值 ,并記錄裂縫開展與分布情況及模型 初裂荷載 、開裂荷載及極限荷載值.圖 1 承臺(tái)平面圖( cm)圖 2 承臺(tái)立面圖( cm)表 1承臺(tái)模型材料承臺(tái)底層配筋 ( mm2 / m2 )外形尺寸 ( m)承臺(tái)編號(hào)承臺(tái)材料寬高配筋率主筋及局部加強(qiáng)配筋及方式底層為 1912 、樁頂 612 鋼筋底層為 1912 、樁頂 612 鋼筋 底層為 1912 、樁頂 612 鋼筋普通混凝土普通混凝土 普通混凝土1231 . 351 . 351 . 350 . 550 . 550 . 5535 . 0635 . 0635 .

6、 06第一組底層為 1912底層為 1912451 . 351 . 350 . 550 . 5521 . 4921 . 49普通混凝土普通混凝土第二組61 . 350 . 5521 . 49底層為 1912鋼纖維混凝土第三組 7 1 . 35 0 . 55 21 . 49 底層為 1912 鋼纖維混凝土圖 3 承臺(tái)加載圖示圖 4 加載過程2 承臺(tái)的破壞模式面下方率先出現(xiàn)裂縫 ,裂縫寬度為 0 . 02 mm. 裂縫擴(kuò)展到承臺(tái)厚度的 1/ 5 左右 ,如圖 5 、6 . 加載達(dá)到2 000 kn 時(shí) ,承臺(tái)四個(gè)側(cè)面均出現(xiàn)裂縫 ,裂縫擴(kuò)展到承臺(tái) 厚度的 2/ 5 ,裂縫寬度 0 . 050 . 1

7、 mm. 承臺(tái)底面裂縫211第一組模型當(dāng)加載噸位至 1 600kn 時(shí) ,在相鄰樁間承臺(tái)側(cè)由邊緣向中心方向發(fā)展 ,如圖 7 、8 所示.當(dāng)加載達(dá)到 2 300 kn 時(shí) ,承臺(tái)側(cè)面裂縫擴(kuò)展到 頂面 ,裂縫寬度 0 . 20 . 3 mm ,承臺(tái)底面裂縫繼續(xù)擴(kuò)展直至貫通 ,加載達(dá)到 3 000 kn 時(shí) ,承臺(tái)側(cè)面和底面裂縫寬度為 0 . 80 . 9 mm ,如圖 9 、10 .圖 5 承臺(tái)底面初期裂縫分布圖 6 承臺(tái)側(cè)面初期裂縫分布圖 7 2 300k n 時(shí)承臺(tái)底面裂縫分布圖 8 2 300 k n 時(shí)承臺(tái)側(cè)面裂縫分布圖 9 3 000 k n 時(shí)承臺(tái)底面裂縫分布圖 10 3 000 k

8、n 時(shí)承臺(tái)側(cè)面裂縫分布212 第二組模型當(dāng)加載噸位至 1 200kn 時(shí) ,在承臺(tái)四個(gè)側(cè)面均 出現(xiàn)寬度為 0 . 02 mm 的裂縫. 裂縫高度達(dá)到承臺(tái)模 型厚度的 1/ 6 左右. 隨著荷載的增加 , 裂縫擴(kuò)展迅 速 ,當(dāng)加載達(dá)到 1 600 kn 時(shí) ,承臺(tái)側(cè)面裂縫擴(kuò)展至承臺(tái)厚度的 5/ 6 ,裂縫寬度達(dá) 0 . 40 . 8 mm ,承臺(tái)底面 形成貫通裂縫 . 當(dāng)加載達(dá)到 2 000 kn 時(shí) ,承臺(tái)側(cè)面裂 縫擴(kuò)展至承臺(tái)頂面 ,裂縫寬度達(dá) 0 . 71 . 0 mm ,承臺(tái) 底面裂縫雙向貫通.213 第三組模型當(dāng)加載噸位至 1 200kn 時(shí) ,在承臺(tái)四個(gè)側(cè)面均 出現(xiàn)寬度為 0 . 01

9、0 . 02 mm 的裂縫. 裂縫高度達(dá)到 承臺(tái)厚度的 2/ 5 左右. 隨著荷載的增加 ,裂縫擴(kuò)展迅 速 ,當(dāng)加載達(dá)到 1 800 kn 時(shí) ,承臺(tái)側(cè)面裂縫擴(kuò)展到承 臺(tái) 厚 度 的 4/ 5 , 裂 縫 寬 度 達(dá) 0 . 4 mm. 當(dāng) 加 載 達(dá) 到2 000kn 時(shí) ,承臺(tái)側(cè)面裂縫擴(kuò)展到頂面 ,承臺(tái)底面裂 縫雙向貫通 ,裂縫寬度達(dá) 1 . 1 mm.從以上三組承臺(tái)模型試驗(yàn)可以看出 ,從承臺(tái)開裂 、裂縫擴(kuò)展直至承臺(tái)破壞 ,承臺(tái)混凝土開裂及裂縫 擴(kuò)展規(guī)律是 :裂縫率先出現(xiàn)在彎矩最大的承臺(tái)底面 中間邊緣處 ,隨著荷載的增加 ,裂縫沿承臺(tái)底面向承 臺(tái)中心擴(kuò)展 ,并在承臺(tái)底面相鄰兩樁間形成通縫

10、,兩條橫向裂縫交匯于承臺(tái)底面中心點(diǎn) ,同時(shí) ,裂縫沿承 臺(tái)側(cè)面向上擴(kuò)展 ,直至承臺(tái)頂面 ,造成承臺(tái)破壞 ,達(dá) 到極限荷載. 在加載到破壞的過程中 ,承臺(tái)破壞模式 是典型的彎曲破壞形式 ,并未出現(xiàn)明顯的沖切及剪 切破壞特征. 因此針對(duì)此獨(dú)柱式四樁承臺(tái)的破壞模式 ,應(yīng)以彎曲破壞的力學(xué)模式為主進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.承臺(tái)的抗裂性能3由表 2 所列實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析承臺(tái)配筋率 、混凝土強(qiáng)度與初裂荷載 、開裂荷載以及極限荷載的關(guān)系.表 2混凝土彈模 (104 m pa)模型編號(hào)設(shè)計(jì)強(qiáng)度 ( mpa)配筋率 ( %)初裂荷載 ( kn)開裂荷載 ( kn)極限荷載 ( kn)模型 1模型 2模型 33 . 02 . 83

11、 . 11 . 721 . 481 . 830 . 47 %0 . 47 %0 . 47 %1 6001 4001 6002 2002 0002 200未出現(xiàn)未出現(xiàn) 未出現(xiàn)第一組模型 4模型 52 . 72 . 61 . 441 . 280 . 29 %0 . 29 %1 3001 2001 6001 4002 8002 500第二組模型 6模型 72 . 42 . 31 . 141 . 100 . 29 %0 . 29 %1 2001 1001 4001 4002 6002 400第三組1) 首先由混凝土強(qiáng)度相近而配筋率不同的模型 2 和 4 來看配筋 率 的 影 響 , 兩 者 混 凝 土

12、 強(qiáng) 度 接 近 ,而配筋率分別為 0 . 47 %和 0 . 29 % ,由于配筋率的影響 ,使模型 2 初裂荷載 、開裂荷載及極限荷載均 要高于模型 4 . 初裂荷載提高 7 . 7 % ,開裂荷載提高25 %.2) 由表 2 中同一組模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以 看出 ,采用相同配筋率的模型其強(qiáng)度對(duì)初裂荷載 、開裂荷載及極限荷載的影響也是呈現(xiàn)正比關(guān)系的 ,即 在配筋條件相同的情況下 ,混凝土強(qiáng)度越高 ,初裂 、 開裂 、極限荷載值也就越大.3) 模型 6 、7 混凝土中摻入體積率為 8 的亂向 分布的鋼纖維 ,形成鋼纖維混凝土承臺(tái) ,兩者的初裂荷載與開裂荷載級(jí)別均大于未摻入鋼纖維的模型4 、5

13、 ,如圖 11 所示. 這說明 : 鋼纖維的摻入增加了開裂前承臺(tái)的剛度 ,有助于承臺(tái)底面混凝土的受拉 ,從而延遲了裂縫的出現(xiàn) ,提高了初裂荷載. 另一方面鋼 纖維改善了承臺(tái)開裂后的延性 ,限制了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展 ,改善承臺(tái)的抗裂性能.圖 11 模型開裂荷載曲線的方法 ,也可采用兩種方法相結(jié)合的技術(shù)措施改善承臺(tái)的抗裂性能.3) 進(jìn)一步研究配筋位置對(duì)提高承臺(tái)抗裂性能 的影響 ,對(duì)節(jié)省鋼筋是有意義的.4結(jié)論通過獨(dú)柱式四樁承臺(tái)的模型試驗(yàn)研究 ,對(duì)承臺(tái)的破壞模式及抗裂性能有了更清晰的認(rèn)識(shí) ,從中得 出以下幾點(diǎn)結(jié)論 :1) 獨(dú)柱式四樁承臺(tái)的破壞模式以彎曲破壞為 主 ,設(shè)計(jì)中可采用以彎曲破壞為主的力學(xué)計(jì)算模

14、式.2) 可選適當(dāng)提高配筋率或采用鋼纖維混凝土參考文獻(xiàn) :趙國(guó)蕃 ,彭少民 ,黃呈逵等 1 鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu) m 1 北京 : 中國(guó)建筑工業(yè)出版社 ,1999 ,11羅君東 1 關(guān)于承臺(tái)設(shè)計(jì)方法的商榷j 1 建筑結(jié)構(gòu) ,1994 , ( 8)12da mage control model ing of a singlecol umn ca p supported by 4 piles an ddeterminat ion of the ant i - cracking characterist icswang j ian1 lo ng peiheng1( 11dept . of civil e

15、ngineering ,beijing 100044)zhang lianp u2 liu qingren2( 21beijing general municipal and design instit ute ,beijing 100035)abstract : the damage mo del and mechanical calculatio ns were validated by t his st udy. based o n t he analysis oft he test result s technical met ho ds to imp rove t he p roperties were developed to p revent cracking of reinfo rced co n2 crete in t he pile fo u