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1、独柱式四桩承台破坏模式及抗裂性能的试验研究 健1龙佩恒1张连普2刘庆仁2王( 11 土木工程系 ,北京 100044)( 21 北京市政设计研究总院 ,北京 100035)摘要 : 通过模型试验研究 ,确定了独柱式四桩承台的破坏模式和力学计算模型 ,在分析试验结果的基础上 ,提出了改善承台混凝土抗裂性能的技术措施及方法. 研究结果对城市桥梁现行的独柱式四桩承台 设计方法的改进具有一定的指导意义 .关键词 :桩基 ;承台 ;模型 ;抗裂性中图分类号 : U 443 . 2文献标识码 :A和改善抗裂性能的技术方法 ,试验结论对现行的承台设计方法的改进具有一定的指导意义.0引言桩基承台是将桩基础和桥
2、墩连接为整体并将桥梁上部荷载传递给桩基的重要构件. 承台受力复杂 ,影响因素很多 ,在工程设计中采用何种计算模式对 计算结果影响很大 ,并直接影响结构的安全使用. 目前国内外采用的计算方法有 : 我国桥梁设计规范采用“桁架法或深梁法”,美国和前苏联采用“以板梁理 论为基础的受弯构件计算方法”,英国和加拿大采用 “桁架 (拉压杆) 力学模型”等 . 独柱式四桩承台作为城市桥梁广泛采用的承台结构形式 ,其特点是承台 所受墩柱作用荷载大 ,桩间距和桩柱间距小的特点 , 其受载破坏模式与常用桩基承台的计算方法存在一定的差异 ,目前 ,独柱式四桩承台的破坏模式尚没有 确定的力学模型 ,如何确定其力学模型
3、一直困扰着设计人员 ,致使在设计过程中只能采用最保守的计 算模式 ,以确保设计的安全性 ,在一定程度上存在材 料浪费的问题 ,同时承台开裂后 ,钢筋混凝土结构的耐久性是影响其使用寿命的关键 ,特别是埋于地下 的混凝土结构受地下水和腐蚀性物质的侵蚀 ,混凝 土材料退化 、钢筋锈蚀问题将进一步加剧混凝土裂缝的扩展. 因此 ,提高混凝土结构的抗裂性能对改善 承台使用性能延长结构的使用寿命具有重要作用.针对这一问题 ,本文进行了独柱式四桩承台破坏模 式及抗裂性能的试验研究 ,以确定其力学计算模式1 模型试验111模型尺寸实验模型与原型几何比例为 1/ 4 ,模型尺寸 、平 面及立面图如图 1 、2 所
4、示.112模型材料承台模型分别采用普通混凝土和钢纤维混凝土 材料 。(见表 1)113实验加载方法将出现肉眼可见 ( 约 0 . 002 mm) 裂缝时荷载定 义为初裂荷载 ,将裂缝达到 0 . 2 mm 时的荷载定义为 开裂荷载 ,将加荷至试件变形无法稳定 、无法持荷而卸载时所达到的荷载定义为极限荷载 .每一个承台模型在实验加载前首先读取钢筋和 混凝土应力测点初读数. 加载级差为 200 kN ,通过现场观测与实验监控 ,初期裂缝产生之后加载级差改为 100 kN ,直至终极荷载 3 000 kN 或承台完全破坏.加载情况如图 3 、4 所示 ,利用油压千斤顶加压 , 模拟墩底垂直力荷载.
5、在各级荷载下 ,用静态电阻应 变仪量测混凝土及钢筋测点的应变值 ,用放大镜量测裂缝宽度值 ,并记录裂缝开展与分布情况及模型 初裂荷载 、开裂荷载及极限荷载值.图 1 承台平面图( cm)图 2 承台立面图( cm)表 1承台模型材料承台底层配筋 ( mm2 / m2 )外形尺寸 ( m)承台编号承台材料宽高配筋率主筋及局部加强配筋及方式底层为 1912 、桩顶 612 钢筋底层为 1912 、桩顶 612 钢筋 底层为 1912 、桩顶 612 钢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第一组底层为 1912底层为 1912451 . 351 . 350 . 550 . 5521 . 4921 . 49普通混凝土普通混凝土第二组61 . 350 . 5521 . 49底层为 1912钢纤维混凝土第三组 7 1 . 35 0 . 55 21 . 49 底层为 1912 钢纤维混凝土图 3 承台加载图示图 4 加载过程2 承台的破坏模式面下方率先出现裂缝 ,裂缝宽度为 0 . 02 mm. 裂缝扩展到承台厚度的 1/ 5 左右 ,如图 5 、6 . 加载达到2 000 kN 时 ,承台四个侧面均出现裂缝 ,裂缝扩展到承台 厚度的 2/ 5 ,裂缝宽度 0 . 050 . 1
7、 mm. 承台底面裂缝211第一组模型当加载吨位至 1 600kN 时 ,在相邻桩间承台侧由边缘向中心方向发展 ,如图 7 、8 所示.当加载达到 2 300 kN 时 ,承台侧面裂缝扩展到 顶面 ,裂缝宽度 0 . 20 . 3 mm ,承台底面裂缝继续扩展直至贯通 ,加载达到 3 000 kN 时 ,承台侧面和底面裂缝宽度为 0 . 80 . 9 mm ,如图 9 、10 .图 5 承台底面初期裂缝分布图 6 承台侧面初期裂缝分布图 7 2 300k N 时承台底面裂缝分布图 8 2 300 k N 时承台侧面裂缝分布图 9 3 000 k N 时承台底面裂缝分布图 10 3 000 k
8、N 时承台侧面裂缝分布212 第二组模型当加载吨位至 1 200kN 时 ,在承台四个侧面均 出现宽度为 0 . 02 mm 的裂缝. 裂缝高度达到承台模 型厚度的 1/ 6 左右. 随着荷载的增加 , 裂缝扩展迅 速 ,当加载达到 1 600 kN 时 ,承台侧面裂缝扩展至承台厚度的 5/ 6 ,裂缝宽度达 0 . 40 . 8 mm ,承台底面 形成贯通裂缝 . 当加载达到 2 000 kN 时 ,承台侧面裂 缝扩展至承台顶面 ,裂缝宽度达 0 . 71 . 0 mm ,承台 底面裂缝双向贯通.213 第三组模型当加载吨位至 1 200kN 时 ,在承台四个侧面均 出现宽度为 0 . 01
9、0 . 02 mm 的裂缝. 裂缝高度达到 承台厚度的 2/ 5 左右. 随着荷载的增加 ,裂缝扩展迅 速 ,当加载达到 1 800 kN 时 ,承台侧面裂缝扩展到承 台 厚 度 的 4/ 5 , 裂 缝 宽 度 达 0 . 4 mm. 当 加 载 达 到2 000kN 时 ,承台侧面裂缝扩展到顶面 ,承台底面裂 缝双向贯通 ,裂缝宽度达 1 . 1 mm.从以上三组承台模型试验可以看出 ,从承台开裂 、裂缝扩展直至承台破坏 ,承台混凝土开裂及裂缝 扩展规律是 :裂缝率先出现在弯矩最大的承台底面 中间边缘处 ,随着荷载的增加 ,裂缝沿承台底面向承 台中心扩展 ,并在承台底面相邻两桩间形成通缝
10、,两条横向裂缝交汇于承台底面中心点 ,同时 ,裂缝沿承 台侧面向上扩展 ,直至承台顶面 ,造成承台破坏 ,达 到极限荷载. 在加载到破坏的过程中 ,承台破坏模式 是典型的弯曲破坏形式 ,并未出现明显的冲切及剪 切破坏特征. 因此针对此独柱式四桩承台的破坏模式 ,应以弯曲破坏的力学模式为主进行设计计算.承台的抗裂性能3由表 2 所列实验结果分析承台配筋率 、混凝土强度与初裂荷载 、开裂荷载以及极限荷载的关系.表 2混凝土弹模 (104 M Pa)模型编号设计强度 ( Mpa)配筋率 ( %)初裂荷载 ( kN)开裂荷载 ( kN)极限荷载 ( 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未出现未出现 未出现第一组模型 4模型 52 . 72 . 61 . 441 . 280 . 29 %0 . 29 %1 3001 2001 6001 4002 8002 500第二组模型 6模型 72 . 42 . 31 . 141 . 100 . 29 %0 . 29 %1 2001 1001 4001 4002 6002 400第三组1) 首先由混凝土强度相近而配筋率不同的模型 2 和 4 来看配筋 率 的 影 响 , 两 者 混 凝 土
12、 强 度 接 近 ,而配筋率分别为 0 . 47 %和 0 . 29 % ,由于配筋率的影响 ,使模型 2 初裂荷载 、开裂荷载及极限荷载均 要高于模型 4 . 初裂荷载提高 7 . 7 % ,开裂荷载提高25 %.2) 由表 2 中同一组模型的实验结果对比可以 看出 ,采用相同配筋率的模型其强度对初裂荷载 、开裂荷载及极限荷载的影响也是呈现正比关系的 ,即 在配筋条件相同的情况下 ,混凝土强度越高 ,初裂 、 开裂 、极限荷载值也就越大.3) 模型 6 、7 混凝土中掺入体积率为 8 的乱向 分布的钢纤维 ,形成钢纤维混凝土承台 ,两者的初裂荷载与开裂荷载级别均大于未掺入钢纤维的模型4 、5
13、 ,如图 11 所示. 这说明 : 钢纤维的掺入增加了开裂前承台的刚度 ,有助于承台底面混凝土的受拉 ,从而延迟了裂缝的出现 ,提高了初裂荷载. 另一方面钢 纤维改善了承台开裂后的延性 ,限制了裂缝的进一步发展 ,改善承台的抗裂性能.图 11 模型开裂荷载曲线的方法 ,也可采用两种方法相结合的技术措施改善承台的抗裂性能.3) 进一步研究配筋位置对提高承台抗裂性能 的影响 ,对节省钢筋是有意义的.4结论通过独柱式四桩承台的模型试验研究 ,对承台的破坏模式及抗裂性能有了更清晰的认识 ,从中得 出以下几点结论 :1) 独柱式四桩承台的破坏模式以弯曲破坏为 主 ,设计中可采用以弯曲破坏为主的力学计算模
14、式.2) 可选适当提高配筋率或采用钢纤维混凝土参考文献 :赵国蕃 ,彭少民 ,黄呈逵等 1 钢纤维混凝土结构 M 1 北京 : 中国建筑工业出版社 ,1999 ,11罗君东 1 关于承台设计方法的商榷J 1 建筑结构 ,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 rope
16、rties were developed to p revent cracking of reinfo rced co n2 crete in t he pile fo undatio n . The test result s p rovided us wit h guidelines fo r p roper design of single columns sup2 po rted by fo ur pile cap used in bridge co nst ructio n .Key words : pile fo undatio n ;pile cap ; mo del ;anti - cracking characteristics