城市桥梁预制防撞墙试验

6．2．2．1　试件目的

本试件设计由设计院设计，并依据试验加载条件对加载部位进行了局部适当调整，试验模型设计以实际工程防撞墙为原型，进行预制防撞墙和传统现浇防撞墙静力加载试验研究，研究预制防撞墙的损伤、防撞力及最终破坏模式，并与传统现浇防撞墙的力学行为和防撞墙进行比较。具体试验研究目的如下：

（1）比较传统防撞墙和预制防撞墙的破坏模式和最终防撞能力等。

（2）通过不同加载方式预制防撞墙试验，深入了解和掌握对应于不同加载方式防撞墙的破坏机理、破坏模式和损伤部位及损伤程度的分布情况等。

（3）通过试验研究结果分析破坏模式及原因，为设计提供更加合理、经济、有效的构造细节建议，以改善预制防撞墙的力学性能。

6．2．2．2　试件方案设计和试验内容

拟定开展4个试件的试验研究，其中2个为现浇防撞墙，另2个为预制防撞墙。试件模型如图6.17和图6.18所示，4个试件长度均为4 m，下面给予分别说明：

图6.17　试件模型图（钢筋图）

试件1和试件2：传统现浇防撞墙和预制防撞墙对称均布加载试验，用于探讨两类防撞墙在均布加载条件下的损伤部位、破坏机理和防撞能力等方面的差异。

试件3和试件4：传统现浇防撞墙和预制防撞墙偏载加载试验，用于探讨两类防撞墙在偏载加载条件下的损伤部位、破坏机理和防撞力等方面的差异。

6．2．2．3　试验加载工况

图6.18　加载位置示意图

千斤顶顶紧防撞墙，之后逐渐加大顶推力向外侧推，直至防撞墙分级加载至严重破坏。其间要保证千斤顶与墙面接触位置不发生局部受压破坏。加载点根据试件不同，加载位置分别为作用于一片预制防撞墙中心位置（集中加载，至设计荷载43 t），随后单点偏载加载，直至防撞墙严重破坏。另一种加载方式是采用四点加载（模拟均布加载），四点均布加载直至破坏（见图6.19和图6.20）。

加载方式的分级情况如下：

（1）预压紧至10 k N。

（2）加载至规范设计撞击力的1／4。

（3）加载至规范设计撞击力的1／2。

（4）加载至规范设计撞击力的3／4。

图6.19　加载位置示意图（中心位置和偏载单点集中加载）

图6.20　加载位置示意图——四点加载（模拟均布加载）

（5）加载至规范设计撞击力。

（6）加载至规范设计撞击力的1.5倍。

（7）加载至规范设计撞击力的2倍。

（8）加载至规范设计撞击力的2.5倍。

（9）每次累加0.5倍的规范设计撞击力，直至破坏。

每级加载后稳定5 min，记录所有测试数据后继续加载，并全程记载加载的力-位移曲线，直至破坏。破坏情况包括如下3种：

（1）防撞墙墙背侧混凝土受压破碎。

（2）防撞墙墙前侧连接锚栓受拉断裂或底座破坏。

（3）千斤顶无法继续施加荷载，但相对位移不断加大。

6．2．2．4　数据采集和测试内容

1）加载力数据采集

采用测力传感器测试千斤顶施加的荷载值，并确保千斤顶与防撞墙之间可靠接触，且与千斤顶油表读数进行校核。

2）关键部位应变片布置和数据采集

在预制防撞墙的全部锚栓上布置钢筋应变片，在防撞墙竖向和横向受力主筋上布置钢筋应变片，在竖向上应变片分别设置于防撞墙根部、截面突变部和两者之间部位，在竖向和横向位置交叉的点处布置防撞墙竖向和横向受力主筋上布置钢筋应变片。在防撞墙根部和截面突变处的前后侧混凝土上布置混凝土应变片，采用应变测量系统采集混凝土应变、纵向预应力筋应变和横向钢筋应变的变化规律。注意要对应变进行温度补偿。

3）位移计布置和数据采集

测试千斤顶作用位置处及关键部位的变形，测试所有钢筋应变测试点附近位置的位移情况，要求两侧防撞墙分别独立进行测试。

6．2．2．5　试件加工制作

四个测试防撞墙试件分别包括2个现浇防撞墙和2个预制防撞墙。测试试件制作在实际施工现场进行加工制作，其中预制防撞墙在预制构件厂加工制作。在制作过程中，对其受力部位的钢筋布置了应变片，浇筑养护完成后，运到试验现场，安装在加载测试的底座上。现浇防撞墙直接在试验现场的加载底座上搭设支架，绑扎钢筋，现浇、养护而成。在绑扎钢筋过程中，也对受力关键部位的钢筋上布置了应变片。图6.21～图6.23为预制防撞墙和现浇防撞墙的制作过程照片。

图6.21　试件制作

图6.22　预制防撞墙安装于试验底座

图6.23　4个试验防撞墙养护

6．2．2．6　试件加载损伤破坏现象

在试件达到设计强度后进行试验，试验顺序是现浇防撞墙四点均布加载试验、预制防撞墙四点均布加载试验、现浇防撞墙单点集中加载和预制防撞墙单点集中加载试验。试验加载装置为千斤顶加载，并通过仔细控制实现多个千斤顶同步加载，按照试验加载方案进行加载试验。

图6.24和图6.25为现浇防撞墙和预制防撞墙在四点均布加载条件下的破坏现象图。比较两图发现，两墙最终破坏均由底座破坏控制，墙身损伤轻微。但具体破坏细节存在一定差异。现浇防撞墙裂缝主要集中在底座，且以水平向和斜向裂缝为主，墙身有轻微裂缝，墙身背面无明显裂缝。而预制防撞墙，底座破坏集中在后侧，以竖向和斜向裂缝破坏为主，墙身前面螺栓锚固位置表明混凝土损伤严重，墙身背部也有裂缝出现。此外，预制防撞墙相对底座发生平动滑移，且装配交接面裂缝出现较早，而现浇防撞墙与底座牢固连接，没有发生相对位移。

图6.24　现浇防撞墙四点加载破坏现象

图6.25　预制防撞墙四点加载破坏现象

图6.26和图6.27为现浇防撞墙和预制防撞墙在单点偏载加载条件下的破坏现象图。比较两图发现，两墙最终破坏均由墙身破坏控制，并伴随底座损伤。但具体破坏细节存在一定差异。现浇防撞墙墙身破坏主要集中在加载点附近，墙身破坏面呈现一个曲线面，底座也发生损伤但相对轻微，裂缝以竖向和水平向为主，伴有斜向裂缝。而预制防撞墙底座损伤严重，主要以竖向和斜向裂缝为主，底座底面也发生破坏。墙身破坏以一条间于1＃和2＃加载点之间的主斜裂缝为破坏面。锚固螺栓处墙身墙面混凝土表面发生损伤，但底座锚固螺栓处没有明显破坏现象。预制防撞墙墙身与底座之间发生相对位移，且是不对称的。

图6.26　现浇防撞墙单点加载破坏现象

图6.27　预制防撞墙单点加载破坏现象

6．2．2．7　试验测试结果分析

依据测试内容和测试工况对施工现场完成的4个试件静力试验的数据进行处理分析，试验数据处理结果分述如下：

1）力-位移曲线

通过千斤顶逐级增加水平荷载作用于防撞墙，同时采集对应每级荷载下防撞墙加载点处发生的水平位移。表6.3给出四点均布加载工况下现浇防撞墙和预制防撞墙的单个千斤顶的力-位移对应数值。

表6．3　四点均布加载试件力和位移值

从表6.2中可知，均布加载条件下，现浇防撞墙最大承受水平力为999.6 k N，预制防撞墙最大承受水平力为1 236 k N，比现浇防撞墙大。

表6.4给出了四点均布加载工况下现浇防撞墙和预制防撞墙的单个千斤顶的力-位移对应数值。

表6．4　单点加载力和位移　

2）钢筋应变

试验过程中，对受力关键部位钢筋粘贴了应变片，以测试钢筋的受力特性。试验过程中，发现部分应变片受到损坏，经选择数据合理的应变片数值规律以图形方式给予描述，给出主要受力部位钢筋的应变规律。当破坏严重时，钢筋应变片发生损伤，因此对应最大荷载，有些部位的钢筋应变片无信号。

图6.28～图6.30给出的主要受力部位钢筋的应变规律表明，当破坏严重时，钢筋应变片发生损伤，因此对应最大荷载，有些部位的钢筋应变片无信号。从图中可以看出，墙体前面的钢筋底部受拉，斜筋在变宽段受拉较大。

图6.28　现浇防撞墙四点加载墙体前面竖向钢筋应变

图6.29　现浇防撞墙四点加载墙体斜筋应变

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图6.30　现浇防撞墙四点加载墙体水平向钢筋应变

图6.31～图6.34给出的预制防撞墙四点均布加载下主要受力部位钢筋的应变规律表明：墙体前边竖向筋和斜筋在底部受力较小，而在变宽段处钢筋应变较大，说明受力较大。从中可以看出，墙体前面的钢筋底部受拉，斜筋在变宽段受拉较大。从锚固螺栓的应变看，锚固螺栓已经发挥作用。

图6.31　预制防撞墙四点加载墙体前面竖向钢筋应变

图6.32　预制防撞墙四点加载墙体斜筋应变

图6.33　预制防撞墙四点加载墙体前面水平向钢筋应变

图6.34　预制防撞墙四点加载锚固螺栓应变

图6.35～图6.40给出了现浇防撞墙单点集中加载下主要受力部位钢筋的应变规律。从图中看，墙体前边竖向筋底部和斜筋在边宽度部位底部应变较大，因而表明受力较大。总体来看，中心加载至430 k N，钢筋应变较小，基本保持弹性。单点偏心加载下，钢筋应变显著增大，接近屈服或已屈服。

图6.35　现浇防撞墙单点中心加载墙体前面竖向钢筋应变

图6.36　现浇防撞墙单点中心加载墙体斜向钢筋应变

图6.37　现浇防撞墙单点中心加载墙体前面水平向钢筋应变

图6.38　现浇防撞墙单点偏心加载墙体前面竖向钢筋应变

图6.39　现浇防撞墙单点偏心加载墙体斜向钢筋应变

图6.40　现浇防撞墙单点偏心加载墙体前面水平向钢筋应变

图6.41～图6.48给出了预制防撞墙单点集中加载下主要受力部位钢筋及锚固螺栓的应变规律。从中可以看出，在集中对称荷载作用下，墙体前边竖向筋底部和斜筋在底部和变宽度部位应变较小。总体来看，中心加载至430 k N，钢筋应变较小，基本保持弹性，但水平向钢筋受力相对较大。单点偏心加载下，钢筋应变显著增大，水平向钢筋接近屈服或屈服，锚固螺栓应变表明部分螺栓发生接近或发生屈服。

图6.41　预制防撞墙单点中心加载墙体前面竖向钢筋应变

图6.42　预制防撞墙单点中心加载墙体斜向钢筋应变

图6.43　预制防撞墙单点中心加载墙体前面水平向钢筋应变

图6.44　预制防撞墙单点中心加载锚固螺栓应变

图6.45　预制防撞墙单点偏心加载墙体前面竖向钢筋应变

图6.46　预制防撞墙单点偏心加载墙体斜向钢筋应变

图6.47　预制防撞墙单点偏心加载墙体前面水平向钢筋应变

图6.48　预制防撞墙单点偏心加载锚固螺栓应变

3）混凝土应变

下面给出四片防撞墙粘贴于混凝土表面应变的测试数据。

图6.49和图6.50给出的现浇防撞墙均布加载下混凝土表面的应变值，表明在变宽段处混凝土受力应变较大，发生开裂，受压混凝土应变较小。

图6.49　现浇防撞墙四点均布加载混凝土表明应变（防撞墙正面）

图6.50　现浇防撞墙四点均布加载混凝土表面应变（防撞墙背面）

图6.51和图6.52给出的预制防撞墙均布加载下混凝土表面的应变值，表明在变宽段处混凝土受力应变较大，发生开裂，受压混凝土应变较小。

图6.51　预制防撞墙四点均布加载混凝土表面应变（防撞墙正面）

图6.52　预制防撞墙四点均布加载混凝土表面应变（防撞墙背面）

图6.53和图6.54给出的现浇防撞墙对称加载下混凝土表面的应变值，表明受拉和受压混凝土应变均较小，受拉侧表面发生轻微开裂。

图6.53　现浇防撞墙单点对称加载混凝土表面应变（防撞墙正面）

图6.54　现浇防撞墙单点对称加载混凝土表面应变（防撞墙背面）

图6.55和6.56给出的现浇防撞墙单点偏载加载下混凝土表面的应变值，表明受拉和受压混凝土应变均较大，受拉侧表面发生严重开裂，受压混凝土发生压碎。

图6.55　现浇防撞墙单点偏心加载混凝土表面应变（防撞墙正面）

图6.56　现浇防撞墙单点偏心加载混凝土表面应变（防撞墙背面）

图6.57和图6.58给出的预制防撞墙对称加载下混凝土表面的应变值，表明受拉和受压混凝土应变均较小，受拉侧表面发生轻微开裂。

图6.57　预制防撞墙单点对称加载混凝土表面应变（防撞墙正面）

图6.59和图6.60给出的预制防撞墙单点偏载加载下混凝土表面的应变值，表明受拉和受压混凝土应变均较大，受拉侧表面发生严重开裂，受压混凝土发生压碎。

图6.58　预制防撞墙单点对称加载混凝土表面应变（防撞墙背面）

图6.59　预制防撞墙单点偏心加载混凝土表面应变（防撞墙正面）

图6.60　预制防撞墙单点偏心加载混凝土表面应变（防撞墙背面）

6．2．2．8　试验分析研究结论

通过对试验数据分析，表明在不同加载条件下，预制防撞墙在承载力方面优于现浇防撞墙，或与现浇防撞墙相同，没有发现锚固螺栓损伤。相同荷载作用下，预制防撞墙的变形大于现浇防撞墙，两者损伤和破坏模式存在差异，详细结论分述如下：

（1）在四点均布加载下，现浇防撞墙最大水平承载力是999.6 k N，预制防撞墙最大水平承载力是1 236 k N，预置防撞墙水平承载力优于现浇防撞墙，底座破坏成为防撞墙体系最终的破坏控制因素。

（2）从变形看，四点均布加载条件下，现浇防撞墙破坏时位移为10.4 mm，预制防撞墙位移为42.3 mm，预制防撞墙变形大于现浇防撞墙，预制防撞墙相对于底座发生相对位移。此外，预制防撞墙在荷载很小的情况下，装配交接面处就出现裂缝。

（3）单点对称加载试验表明，在430 k N时，现浇防撞墙和预制防撞墙均有裂缝，发生轻微损伤，预制防撞墙损伤相对严重一些。

（4）单点偏载加载情况下，现浇防撞墙和预制防撞墙最大水平承载力分别是613.0 k N和591.9 k N，两者水平承载力基本相同，最终破坏模式为墙身破坏，并伴有底座损伤。

（5）从变形看，单点偏载加载条件下，现浇防撞墙破坏时位移为4.519 mm，预制防撞墙位移为58.594 mm，预制防撞墙变形大于现浇防撞墙。预制防撞墙相对于底座发生相对位移，且相对底座发生扭转。预制防撞墙在荷载很小的情况下，装配交接面处出现裂缝。