鋼筋混凝土墩柱抗剪性能的影響分析

楊雅勛，黃 華

(1.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064;2.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061)

北京時(shí)間2008年5月12日下午2時(shí)28分，中國汶川發(fā)生8.0級(jí)大地震，震中烈度高達(dá)11度，震源深度約16 km。此次地震使得重災(zāi)區(qū)幾乎所有的公路橋梁遭受嚴(yán)重破壞，橋臺(tái)滑移、梁和橋臺(tái)受擠壓、錨栓剪斷、系梁開裂，部分大橋由于落梁而毀壞。其破壞形式多樣，程度極其嚴(yán)重，就調(diào)查區(qū)域情況來看，災(zāi)區(qū)橋梁破壞可以分以下幾種類型:橋臺(tái)震害、橋墩震害、落梁震害、橋梁上部結(jié)構(gòu)破壞和支座破壞。橋墩作為支撐橋梁上部構(gòu)造的主要構(gòu)件，其震害主要包括橋墩的斷裂和變形，破壞如圖1所示。圖1(a)所示為某大橋墩柱底部剪切破壞，圖1(b)為某大橋墩柱系梁處剪切破壞，圖1(c)為某大橋墩柱壓潰。對(duì)于梁式橋梁，只要下部結(jié)構(gòu)不倒塌，上部結(jié)構(gòu)在地震中的震害多表現(xiàn)為剛體移動(dòng)，而主梁開裂、破壞等結(jié)構(gòu)性震害較少，這一現(xiàn)象與日本阪神地震中的情況較為相似。因此，確保地震中橋墩的抗剪性能，減少其致命損傷的發(fā)生，確保救災(zāi)生命線的暢通具有重要意義［1-3］，而目前這方面的研究主要集中在建筑結(jié)構(gòu)方面［4-11］。本文以橋梁墩柱的剪切破壞為研究對(duì)象，通過數(shù)值分析，指出影響墩柱抗剪性能的影響因素，為墩柱的抗剪設(shè)計(jì)及加固提供參考。

圖1 汶川地震中橋梁墩柱破壞形態(tài)

1 數(shù)值分析概況

橋梁墩柱的剪切破壞在汶川地震中表現(xiàn)較多，此處以某大橋?yàn)樵?，建立縮尺模型，通過ANSYS有限元程序進(jìn)行數(shù)值分析，揭示其內(nèi)在的影響機(jī)理。

模型截面見圖2，材料參數(shù)見表1。主要考慮混凝土強(qiáng)度、箍筋數(shù)量、軸壓比、墩柱高度等對(duì)墩柱抗剪性能的影響。柱的縱筋 8根 φ25 mm，屈服強(qiáng)度 453 MPa。

圖2 模型截面及尺寸(單位:mm)

2 墩柱抗剪性能分析

2.1 剪切破壞現(xiàn)象

數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表2。表中Vy為箍筋屈服時(shí)的剪力，uy為墩頂?shù)那灰疲琕u為混凝土剪切破壞時(shí)的極限剪力，uu為墩頂?shù)臉O限位移。由表2可見，隨墩柱各自參數(shù)的不同，特征荷載均有不同程度的變化。

表1 試件編號(hào)及分類

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

墩柱破壞時(shí)的典型應(yīng)力云圖見圖3。圖3(a)為破壞時(shí)的混凝土第3主應(yīng)力云圖，由圖3(a)可見混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度，發(fā)生剪壓破壞。圖3(b)為鋼筋應(yīng)力云圖，由圖3(b)可見，箍筋發(fā)生屈服時(shí)，縱向鋼筋遠(yuǎn)未達(dá)到屈服強(qiáng)度，破壞方式為典型的剪切破壞。

2.2 混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土強(qiáng)度對(duì)抗剪性能的影響曲線見圖4，主要考慮 C30、C40、C50三種強(qiáng)度。

由圖4(a)結(jié)合表2數(shù)據(jù)可見，混凝土強(qiáng)度對(duì)墩柱抗剪性能有非常大的影響，隨混凝土強(qiáng)度提高，箍筋屈服荷載及極限荷載均增大，墩頂位移亦同樣變化。以構(gòu)件DZ-1為參照，屈服荷載提高幅度為21.6%和39.6%，極限荷載提高幅度為37.7%和65.6%;箍筋屈服時(shí)墩頂位移的增幅分別為2.6%和4.8%，極限位移的增幅為55.0%和67.9%。

圖3 墩柱破壞時(shí)的典型應(yīng)力云圖

由圖4(b)可見，各墩柱箍筋應(yīng)力發(fā)展趨勢基本一致，最初階段基本不受力，隨混凝土開裂，逐步承受荷載。但混凝土強(qiáng)度最低的墩柱，其箍筋最先受力，且混凝土強(qiáng)度越高，箍筋屈服及破壞越晚。圖4(c)進(jìn)一步說明了混凝土強(qiáng)度越高，抗剪承載力越大。墩柱宜采用較高強(qiáng)度的混凝土。

圖4 混凝土強(qiáng)度對(duì)墩柱抗剪性能的影響

2.3 軸壓比的影響

軸壓比對(duì)抗剪性能的影響曲線見圖5，主要考慮軸壓比分別為0、0.15、0.30和0.50四種情況。

由圖5(a)結(jié)合表2數(shù)據(jù)可見，軸壓比對(duì)墩柱抗剪性能有非常大的影響，隨軸壓比的提高，箍筋屈服荷載及墩頂屈服位移均增大;但極限荷載卻先增大，后減小，墩頂極限位移亦同樣變化。以構(gòu)件DZ-4為參照，屈服荷載提高幅度為51.2%、105.9%和156.0%，而極限荷載提高幅度為24.4%、25.2%和18.5%;箍筋屈服時(shí)墩頂位移的增幅分別為0、16.1%和20.8%，極限位移的增幅為3.1%、－25.8%和－59.2%。

由圖5(a)、5(b)可見，各墩柱箍筋應(yīng)力發(fā)展趨勢基本一致，軸壓比越小，混凝土開裂越早，箍筋承受荷載亦早，但過大的軸壓比會(huì)對(duì)墩柱的抗剪承載力造成不利影響，使其抗剪承載力降低，延性變差。

對(duì)軸壓比過大的墩柱可通過增大截面積的方法，來降低軸壓比，提高抗剪承載力，并改善柱的延性。

圖5 軸壓比對(duì)墩柱抗剪性能的影響

2.4 箍筋用量

箍筋用量對(duì)抗剪性能的影響曲線見圖6。主要考慮配箍率分別為0.19%、0.37%和0.67%三種情況。

由圖6(a)結(jié)合表2數(shù)據(jù)可見，隨配箍率的提高，箍筋屈服荷載及墩頂屈服位移均增大;極限荷載亦同，但墩頂極限位移則變化不大，并且可能減小。以構(gòu)件DZ-2為參照，屈服荷載提高幅度為18.8%和40.9%，而極限荷載提高幅度為2.3%和13.4%;箍筋屈服時(shí)墩頂位移的增幅分別為40.3%和106.0%，極限位移的增幅為－12.2%和1.8%。

由圖6(b)、6(c)可見，各墩柱箍筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力在加載初期基本相同，直到荷載達(dá)到300 kN以上時(shí)，才有所變化。

由此可見，通過FRP、粘鋼等進(jìn)行抗剪加固，其本質(zhì)上是增大墩柱的配箍率，這雖然可以提高其屈服荷載和增大墩頂?shù)淖冃畏?，但極限承載能力變化不會(huì)很大。

圖6 箍筋用量對(duì)墩柱抗剪性能的影響

2.5 柱高度

柱高度對(duì)抗剪性能的影響曲線見圖7，主要考慮柱高分別為400 mm、600 mm和800 mm三種情況。

由圖7(a)結(jié)合表2數(shù)據(jù)可見，隨柱高度，箍筋屈服荷載及極限荷載均減小;而墩頂屈服位移及極限位移增大。以構(gòu)件 DZ-2為參照，屈服荷載提高幅度為－34.7%和 －45.3%，而極限荷載提高幅度為－33.2%和－52.2%;箍筋屈服時(shí)墩頂位移的增幅分別為26.8%和107.3%，極限位移的增幅為29.5%和44.8%。

由圖7(b)、7(c)可見，各墩柱箍筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力隨柱高度增加而發(fā)展加快，亦先達(dá)到破壞。

說明墩柱高度增加，柔度增大，墩頂位移亦增大，但抗剪能力降低，過柔的墩柱在地震中發(fā)生剪切的可能性增大，宜通過采取措施加強(qiáng)柱的剛度。

圖7 柱高度對(duì)墩柱抗剪性能的影響

3 結(jié)論

1)混凝土強(qiáng)度對(duì)抗剪性能有很大影響，隨其增大，墩柱抗剪承載力和變形能力均有所提高，墩柱設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)提高其混凝土強(qiáng)度。

2)墩柱軸壓比應(yīng)適當(dāng)，過大的軸壓比會(huì)對(duì)墩柱的抗剪承載力造成不利影響，使其抗剪承載力降低，延性變差。大軸壓比的墩柱可通過增大截面積的方法，來降低軸壓比，改善柱的延性。

3)增大配箍率可增加墩柱剪切破壞時(shí)的屈服荷載和變形，但對(duì)極限荷載和變形改變不大，采用增大配箍率的加固方法，雖然可以提高其屈服荷載和變形能力，但極限承載力及變形性能的改善不會(huì)很大。

4)隨墩柱高度增加，其柔度增加，墩頂位移增大，但抗剪能力降低，地震中發(fā)生剪切破壞的可能性增大，墩柱設(shè)計(jì)不宜過柔，已有墩柱應(yīng)采取措施加強(qiáng)其剛度。

[1] 熊文林，蔡向陽.汶川大地震棉廣高速橋梁震害分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2009，26(1):119-122.

[2] 王東升，郭迅，孫治國，等.汶川大地震公路橋梁震害初步調(diào)查［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2009，29(3):84-94.

[3] 李鴻晶，陸鳴，溫增平，等.汶川地震橋梁震害的特征［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，31(1):24-29.

[4] 黃承逵，曲福來，徐士弢.鋼筋混凝土不等肢異形柱抗剪承載力研究［J］. 工程力學(xué)，2009，26(5):197-201.

[5] 李俊華，王新堂，薛建陽.型鋼高強(qiáng)混凝土短柱的抗剪機(jī)理與抗剪承載力［J］. 工程力學(xué)，2008，25(4):191-199.

[6] 羅素蓉，鄭建嵐，鄭作樵.鋼纖維鋼筋混凝土柱的抗剪承載力計(jì)算方法［J］. 工程力學(xué)，2002，19(6):78-81.

[7] 管品武，鄒銀生，劉立新.反復(fù)荷載下鋼筋混凝土框架柱抗剪承載力分析［J］.世界地震工程，2000，16(2):52-56.

[8] XIAO Y，WU H.Compressive behavior of concrete cylinders confined by carbon fiber composite jackets［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，ASCE，2000，12(2):139-146.

[9] 胡巧玲.跨線橋墩柱病害原因分析與加固效果［J］.鐵道建筑，2009(3):100-103.

[10] 肖明文，劉偉哲.新建鐵路橋墩病害形成原因分析及其劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的探討［J］.鐵道建筑，2008(2):28-30.

[11] 盧煒，李承君.大秦重載鐵路既有中高圓形橋墩加固方案的研究［J］.鐵道建筑，2008(4):17-19.