鋼筋混凝土箱型墩柱破壞模式分析

陶志強(qiáng)　宋志超

【摘 要】箱型墩柱相比實心墩柱具有節(jié)材、自重輕且具有較好的空間整體受力性能，因此大型橋梁高墩常常采用箱型墩柱。橋墩作為橋梁的支撐結(jié)構(gòu)和主要的抗側(cè)力構(gòu)件，容易受到地震災(zāi)害的破壞造成橋梁坍塌。文章通過對震災(zāi)橋墩及相關(guān)試驗研究箱型墩柱的破壞情況進(jìn)行分析研究，系統(tǒng)的闡述了箱型墩柱的破壞模式，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和墩身加固措施提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】橋梁；箱型墩柱；破壞模式

引言

隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展，尤其是西部山區(qū)鐵路、公路的興建，大量的橋梁被建設(shè)用于跨越河谷深溝。由于地形復(fù)雜、山高坡陡，橋梁下部采用的橋墩往往高差懸殊，即使在同一座橋梁中，墩高也會差異很大。在已建成及正在設(shè)計規(guī)劃中的高等級公路中，墩高超過40m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上。當(dāng)墩高較小時，一般采用實心的圓柱墩或矩形墩，但是當(dāng)墩高較高超過40m時，通常采用空心薄壁墩，墩的截面形式主要為圓端型空心墩和矩形空心墩（也稱為“箱型墩”）[1]，其中，箱型墩柱由于其截面形式簡潔便于施工，且具有很好的空間受力形式，因而在我國大型橋梁中應(yīng)用非常廣泛。

我國是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，發(fā)生的地震具有強(qiáng)度高、持續(xù)時間長、發(fā)生頻率高、破壞性強(qiáng)等特點。作為主要的交通生命線工程，橋梁結(jié)構(gòu)的震害不僅會直接帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，而且交通大動脈的中斷會嚴(yán)重影響震后救援工作的及時開展。因此，橋梁結(jié)構(gòu)抗震問題的研究一直是土木工程中的熱點問題，橋墩的抗震性能和破壞模式的研究就顯得尤為重要，對其進(jìn)行研究從而采取相應(yīng)措施提高橋梁的抗震能力非常必要。

一、箱型墩柱結(jié)構(gòu)特點

傳統(tǒng)的空心薄壁式高墩一般包括實體過渡段、標(biāo)準(zhǔn)段和橫隔板。受到泊松效應(yīng)影響，空心薄壁高墩在較大壓應(yīng)力作用下，墩壁有局部外凸的趨勢，橫隔板的存在可以限制墩壁的橫向變形，從而推遲局部穩(wěn)定破壞的發(fā)生。但是研究表明等截面高墩的局部失穩(wěn)多發(fā)生在靠近墩底的位置，局部穩(wěn)定問題并不突出，因此橫隔板的設(shè)置實際意義并不大。另一方面帶有橫隔板的空心橋墩施工較為復(fù)雜，每到橫隔板位置處都需要拆裝模板，造成施工的中斷，極大的影響了施工速度。因而，目前大部分薄壁空性橋墩不在設(shè)置橫隔板。

箱型墩柱與實心墩柱相比具有許多優(yōu)勢，首先與相同截面尺寸的實心墩柱相比箱型墩柱能節(jié)省材料40%左右，在大幅減少圬工量的同時還能減輕結(jié)構(gòu)自重，進(jìn)而也減輕了基礎(chǔ)和承臺的承載壓力。另一方面，箱型的截面形式對于大體積混凝土水化熱問題的解決也大有裨益。但是，箱型截面構(gòu)件的受力相對較為復(fù)雜[2]， 由于空心截面形式造成橋墩成為典型的“強(qiáng)彎弱剪”構(gòu)件并且這種截面形式也使得箍筋難以發(fā)揮核心混凝土的約束效應(yīng)，不利于橋墩塑性鉸的形成、發(fā)展和延性抗震設(shè)計理念的實現(xiàn)。

二、箱型墩柱相關(guān)研究方法

在我國地震災(zāi)害頻發(fā)，在地震作用下，橋梁容易遭受到不同程度上的破壞。與上部結(jié)構(gòu)相比，橋墩作為橋梁的主要抗側(cè)力構(gòu)件更容易受到地震的破壞，墩柱的失效也常常是橋梁倒塌的主要原因，這已在過去的多次的破壞性地震中得到證實，其抗震問題的研究也是橋梁抗震研究的重點[3]。從歷次地震中箱型橋墩破壞情況來看，主要呈現(xiàn)為彎剪破壞，嚴(yán)重的發(fā)生傾斜甚至倒塌，進(jìn)而造成橋梁上部結(jié)構(gòu)的塌跨、傾覆。例如，2008年汶川地震中位于映秀鎮(zhèn)的百花大橋，橋墩抗彎能力不足墩底混凝土的壓潰損壞[4]。

國內(nèi)外研究人員針對箱型橋墩進(jìn)行了一系列的研究，試驗研究方法主要采用的擬靜力試驗，即在箱型墩柱的軸向施加恒定軸向壓力，水平方向?qū)Y(jié)構(gòu)施加往復(fù)循環(huán)荷載，模擬地震時結(jié)構(gòu)在往復(fù)振動中的受力特點和變形特點。通過擬靜力試驗可以獲得結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、滯回性能等一系列的指標(biāo)和參數(shù)及箱型墩柱的破壞形式。試驗主要分為單向擬靜力試驗研究和雙向擬靜力試驗研究。單向擬靜力試驗多是在箱型墩柱順橋向或橫橋向中的一側(cè)加載低周往復(fù)荷載，除了正向加載外，湖南大學(xué)相關(guān)研究人員還進(jìn)行了斜向水平加載的試驗[5]。實際上地震過程中無論是地面運(yùn)動還是結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)都是多維度的，因此研究人員也進(jìn)行了一些多維加載試驗，其中主要是雙向擬靜力試驗，試驗結(jié)果表明在雙向加載條件下，箱型墩柱的抗震性能要明顯低于單向加載的箱型墩柱。

三、箱型墩柱破壞過程

試驗中隨著軸壓比、配箍率、配筋率、高寬比，剪跨比、空心墩壁厚等因素的變化，箱型墩柱抗震性能產(chǎn)生了明顯的改變，如：高軸壓比在延緩裂縫出現(xiàn)的同時，降低了延性抗震能力試件塑性鉸區(qū)域破壞嚴(yán)重；配箍率的較高時，試件的耗能能力和延性也相對較高。但無論單向擬靜力試驗還是雙向擬靜力試驗中箱型墩柱大都呈現(xiàn)為彎剪破壞，即使是彎曲破壞的箱型墩柱，在變形較小的時候，也會出現(xiàn)剪切裂縫。

其破壞的過程大致如下：破壞初期，主要在箱型墩柱下部受拉區(qū)域產(chǎn)生水平彎曲裂縫，裂縫分布在箱型墩柱水平加載一側(cè)靠近墩底的位置，并且裂縫大多對應(yīng)箍筋部位；隨著加載的進(jìn)行箱型墩柱水平裂縫逐漸上移，產(chǎn)生更多新的裂縫，原有裂縫持續(xù)發(fā)展、加寬、貫通，同時裂縫由加載面通過棱角向側(cè)面延伸，延伸到空心處時向斜向發(fā)展，形成剪切斜裂縫，反復(fù)的推拉過程中，側(cè)面裂縫發(fā)展成漏斗狀；當(dāng)?shù)竭_(dá)極限荷載時，加載面墩身下部形成塑性鉸區(qū)域，原有水平裂縫產(chǎn)生出分叉裂縫，且在空心部位箍筋間距處出現(xiàn)豎向裂縫，此后，裂縫發(fā)展交錯，形成網(wǎng)狀裂縫，混凝土開始少量剝離；最終墩柱下部破壞區(qū)域混凝土壓潰，保護(hù)層大量剝落，鋼筋外露，縱向鋼筋發(fā)生彎曲甚至發(fā)生突然的失穩(wěn)破壞。

四、結(jié)束語

橋墩的抗震能力關(guān)系到橋梁安全與震后交通系統(tǒng)的暢通，箱型墩柱在地震作用下易發(fā)生彎曲破壞，同時剪切作用也不可忽視。其破壞過程伴隨裂縫產(chǎn)生、混凝土壓潰、鋼筋屈曲等現(xiàn)象，嚴(yán)重危害橋墩安全。一般情況下箱型橋墩抗震的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在墩底，通常首先在箱型墩柱的下部受拉區(qū)出現(xiàn)水平裂縫，當(dāng)裂縫延伸至空心區(qū)域后發(fā)展成剪切斜裂縫，在循環(huán)荷載作用下，斜裂縫互相交織成網(wǎng)狀。裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展最終導(dǎo)致墩柱破壞甚至失穩(wěn)，失去原有功能。此外，許多橋梁處于易腐蝕的環(huán)境中，產(chǎn)生的裂縫將嚴(yán)重影響橋梁的耐久性。因此，在采取措施增加箱型墩柱抗彎抗剪承載能力的同時也應(yīng)該采取適當(dāng)措施區(qū)限制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫治國. 鋼筋混凝土橋墩抗震變形能力研究[D]. 哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所， 2012.

[2] 夏樟華. 鋼筋混凝土箱型墩抗震性能研究[D]. 福州：福州大學(xué)， 2013.

[3] 韓強(qiáng)， 周雨龍， 杜俢力. 鋼筋混凝土矩形空心橋墩抗震性能[J]. 工程力學(xué)， 2015， 32（3）：28-40.

[4] 杜修力， 韓強(qiáng)， 李獻(xiàn)忠， 等. 5.12汶川地震中山區(qū)公路橋梁震害及啟示[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2008，34（12）：1270-1279.

[5] 方志，王飛， 殷新鋒， 等. 鋼筋混凝土箱型柱抗震性能的試驗研究[J]. 工業(yè)建筑， 2012， 42（3）：12-19.