空心墩柱抗震性能研究

白 洋

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的高速公路和高速鐵路向山區(qū)延伸，橋梁跨越深溝谷、河流逐漸常態(tài)化，橋梁空心墩相比同等直徑、面積的實(shí)心墩柱具有自重輕、剛度較大、受力性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被大量應(yīng)用在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，尤其是我國地震烈度較高的西南地區(qū)。與此同時(shí)，空心墩作為構(gòu)件輕型化的典型結(jié)構(gòu)在預(yù)制裝配橋梁中也得到大量的應(yīng)用。

目前，橋梁墩柱的抗震性能越來越被重視，且已被廣泛、深入地研究，但研究大多針對(duì)實(shí)心墩柱，針對(duì)空心墩柱方面的研究相對(duì)較少，對(duì)于空心墩地震損傷和抗震機(jī)理的研究較少，空心墩因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被逐漸推廣使用，但人們對(duì)空心墩柱抗震設(shè)計(jì)的合理認(rèn)知仍顯不足。

本文擬從橋墩震害表現(xiàn)出發(fā)，通過綜述典型空心墩柱抗震設(shè)計(jì)方法和抗震理念，探討空心墩柱下一步抗震研究的方向，對(duì)空心墩柱的應(yīng)用和推廣進(jìn)行探索。

1 橋梁墩柱震害

我國是世界上地震多發(fā)的國家之一。有記載的震級(jí)8級(jí)以上地震共16次，其中達(dá)到8.5級(jí)以上的地震有三次：(1)發(fā)生在1668-07-25的8.5級(jí)山東琰城-莒縣大地震；(2)發(fā)生在1920-12-16的8.5級(jí)寧夏海原大地震；(3)發(fā)生在1950-08-15的8.6級(jí)西藏察隅-墨脫地震。自1966年以來發(fā)生的7級(jí)以上大地震高達(dá)15次之多，其中1976-07-28發(fā)生的唐山大地震震害最為嚴(yán)重。梳理與分析橋梁墩柱在地震中所受的危害及其產(chǎn)生損毀的原因，是研究橋梁抗震設(shè)計(jì)、防震措施的重要科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)。

1989年的美國洛馬-普雷塔、北嶺大地震，由于橋墩設(shè)計(jì)缺乏足夠的抗剪箍筋，導(dǎo)致在地震作用下，橋墩延性嚴(yán)重不足從而出現(xiàn)剪切破壞；1995年的墨西哥大地震、日本神戶地震，大量的橋梁因?yàn)樗苄糟q轉(zhuǎn)動(dòng)耗能能力不足而整體倒塌；2004年日本新潟地震，上越新干線高速鐵路魚野川附近的橋墩出現(xiàn)混凝土壓碎、箍筋搭接失效、縱筋向外膨脹，從而導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)大面積倒塌；2008年中國汶川地震，百花大橋曲線段出現(xiàn)落梁震害，對(duì)應(yīng)的14#和17#墩柱出現(xiàn)折斷、剪切破壞，主要是由于橋梁墩柱剛度分布不均，導(dǎo)致在受到地震力的影響下產(chǎn)生了應(yīng)力集中。

歷經(jīng)了如此多次震害后，人們逐步認(rèn)識(shí)到墩柱延性的重要性，基于延性的抗震設(shè)計(jì)思想在防止橋梁結(jié)構(gòu)倒塌方面是相當(dāng)有效的，以1995年日本神戶地震為例，在震災(zāi)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，損壞并不嚴(yán)重的橋梁墩柱僅約20%，大多由于震后墩頂殘余位移過大須拆除重建。因此近年基于延性的抗震設(shè)計(jì)逐漸融入到新的設(shè)計(jì)規(guī)范中，最主要的措施是設(shè)計(jì)合理的耗能裝置減少橋梁尤其是橋墩的脆性破壞，同時(shí)最大程度限制橋墩的極限位移，避免位移過大導(dǎo)致后期難以修復(fù)。

2 空心橋墩抗震研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

國際上在20世紀(jì)70～80年代就開始了空心墩柱的抗震研究，其中具有代表性的包括：Zahn、Hoshikuma等[1-2]開展了圓形截面空心墩柱擬靜力試驗(yàn)研究及理論分析工作，表明設(shè)有單層鋼筋的圓形空心墩柱由于其內(nèi)側(cè)混凝土難以得到有效約束，在水平地震力作用下導(dǎo)致混凝土被壓碎，致使結(jié)構(gòu)失效，這個(gè)因素是影響空心橋墩構(gòu)件抗震能力最重要的方面。圓形空心墩柱的被破壞模式與壁厚并無關(guān)聯(lián)，而與截面中性軸位置相關(guān)，中性軸位置距內(nèi)側(cè)混凝土越近，越能夠保護(hù)內(nèi)側(cè)混凝土不易被壓碎，從而能有效地保持墩柱的延性。空心墩柱體現(xiàn)為延性破壞，反之為脆性破壞，因而提出了縱筋配筋率過高并不利于空心墩柱抗震，將導(dǎo)致墩柱的延性降低的結(jié)論。

2002年Yeh[3]等基于美國ACI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了三種方形空心混凝土構(gòu)件，研究了不同配箍率、不同縱向配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，結(jié)果表明軸力和配筋率越大，空心墩抗剪強(qiáng)度越高，且配筋率越大，變形能力越高，但延性卻隨軸力的增大而降低。試驗(yàn)結(jié)果證明ACI標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于抗剪配筋的研究太過保守；空心墩柱采用普通混凝土，其延性優(yōu)于高強(qiáng)混凝土；若塑性鉸處配筋率不足，則易發(fā)生剪切破壞。

2010年美國奧本大學(xué)Han[4]等提出了一種內(nèi)部約束空心鋼筋混凝土(ICH)柱的非線性柱模型，對(duì)3個(gè)不同的ICH RC柱(一個(gè)內(nèi)襯鋼管、一個(gè)波紋管和一個(gè)pvc管)和對(duì)照墩柱實(shí)心RC柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，ICH鋼筋混凝土柱因?yàn)榛炷撂幱诙嘞蚣s束狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度、高能量吸收能力、正常的損傷指數(shù)和可接受的延性，抗震性能與中性軸的位置有極大的關(guān)系，外側(cè)箍筋的作用明顯大于內(nèi)側(cè)箍筋，單純提高內(nèi)側(cè)箍筋配筋率對(duì)于墩柱延性的提高效果并不明顯。

2015年Jae-Hoon Lee等[5]制作了21個(gè)空心構(gòu)件并進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了Zahn、Hoshikuma的研究成果，值得注意的是僅僅增大內(nèi)層箍筋配箍率，不會(huì)改變混凝土內(nèi)壁破壞范圍和空心墩延性。拉筋作為構(gòu)造要求，主要作用是防止縱向鋼筋變形。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)針對(duì)空心墩柱的研究從2010年開始逐步擴(kuò)展，研究的重心傾向于鐵路橋梁，近幾年的研究也開始逐漸擴(kuò)展為矩形、圓形等空心墩柱，同時(shí)針對(duì)其抗震修復(fù)也進(jìn)行了研究。典型的研究有2013年同濟(jì)大學(xué)羅征等[6]以配箍率和剪跨比為試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)了5個(gè)構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，擬靜力研究結(jié)果表明在配筋率相同的情況下，剪跨比越小則空心墩的承載力、位移延性和耗能能力均相應(yīng)提高，但對(duì)墩柱底截面極限彎矩、曲率延性并無影響。配箍率對(duì)空心墩柱的極限承載力及墩柱底極限彎矩影響不大，卻能夠大幅改善構(gòu)件的位移延性。同時(shí)結(jié)合殘余位移指標(biāo)RDI與日本規(guī)范中的殘余位移表達(dá)式，并參照試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得出適用于空心墩柱的殘余位移修正公式。

北京工業(yè)大學(xué)張冬杰等[7]研究了FPR加固技術(shù)空心墩柱的抗震性能，研究結(jié)果表明加固難以明顯提高試件的極限水平力，卻改變了試件的破壞模式，顯著強(qiáng)化了空心墩柱的耗能和延性性能。

2018年梁曉等[8]對(duì)圓形空心墩柱約束混凝土受力機(jī)理進(jìn)行了研究，利用混凝土膨脹和圍壓等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)空心截面的圍壓效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算研究，結(jié)果表明空心混凝土和實(shí)心混凝土的受力完全不同，主要由于混凝土剪脹的變化和圍壓在截面上的分布不同造成，同時(shí)表明厚度比<0.1時(shí)，單層鋼筋配筋更為合適，厚度達(dá)到0.15～0.2后，雙層配筋更為合適。

2020年李忠獻(xiàn)等[9]在2個(gè)試件體積配箍率相同的情況下對(duì)配置內(nèi)、外雙層箍筋的圓形空心鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，內(nèi)外雙層鋼筋拉筋采用間隔布置，試驗(yàn)結(jié)果表明減少拉筋不會(huì)對(duì)墩柱的延性抗震產(chǎn)生不利影響，且節(jié)約了材料；同時(shí)計(jì)算了空心墩柱的塑性鉸區(qū)工作，結(jié)果表明中國的2008版《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》、歐洲和美國規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，與日本規(guī)范的結(jié)果相比偏差較大，偏于保守。

2019年邵長(zhǎng)江等[10]對(duì)鐵路上常用的圓形空心墩進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圓形空心墩柱在宏觀破壞過程上與既往空心墩柱試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由于墩柱底實(shí)心段的影響，墩柱出現(xiàn)了明顯的塑性鉸上移現(xiàn)象，而空心段與實(shí)心段銜接的倒角區(qū)域，損傷最為嚴(yán)重、受力最為不利，在抗震設(shè)計(jì)上應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)構(gòu)造設(shè)計(jì)。

西南交通大學(xué)韋旺等[11]總結(jié)了課題組對(duì)空心墩柱的研究成果并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明配筋率對(duì)于剪跨比>7的高墩影響較大，其配筋率越大，則延性變形能力越大，但對(duì)于剪跨比<5的中低墩則相反；而提高混凝土強(qiáng)度對(duì)增強(qiáng)中低墩延性變形能力效果顯著，對(duì)于高墩則并不明顯，結(jié)合35構(gòu)件統(tǒng)計(jì)分析，得出空心墩柱塑性鉸的長(zhǎng)度計(jì)算公式及塑性鉸區(qū)約束箍筋設(shè)計(jì)用量公式。

2020年西南交通大學(xué)漆啟明等[12]總結(jié)分析了國內(nèi)外對(duì)于空心墩柱損傷模型的研究的優(yōu)缺點(diǎn)，基于19個(gè)空心墩柱擬靜力試驗(yàn)結(jié)果，確立空心墩柱性能水準(zhǔn)劃分及其與各性能指標(biāo)的量化關(guān)系，并根據(jù)各墩柱損傷演化曲線探討既有損傷模型對(duì)空心墩震損評(píng)估的適用性。結(jié)果表明：與實(shí)心墩柱相比，空心墩柱彎剪耦合效應(yīng)顯著，塑性損傷范圍更廣，縱筋屈曲及核芯混凝土壓潰現(xiàn)象更嚴(yán)重；利用裂縫寬度、鋼筋/混凝土應(yīng)變、損傷分量(強(qiáng)度/剛度退化、殘余位移)可以較好地量化空心墩柱基本完好、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、控制倒塌五個(gè)性能水準(zhǔn)；Park-Ang模型能夠較好地解釋空心墩柱加載至中等損傷時(shí)的狀態(tài)，付國、陳林之、曾武華及Bracci模型能夠大體測(cè)算矩形和圓形空心墩柱損傷歷程，羅文模型則用于評(píng)估圓形空心墩柱的損傷，但其研究主要針對(duì)鐵路空心墩柱展開，對(duì)于低剪跨比的公路圓形空心橋墩柱適用性的研究值得進(jìn)一步探討。

3 相關(guān)研究思路分析

綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究，可以看出目前空心墩柱的抗震研究剛剛起步，目前的研究集中在兩個(gè)方面：(1)利用擬靜力試驗(yàn)，結(jié)合配筋形式、配箍率、剪跨比等參數(shù)變化，分析結(jié)構(gòu)的延性、極限位移、耗能等抗震性能，研究空心墩柱的地震破壞機(jī)理，理論方面基于實(shí)體單元、纖維單元等利用opensees、ABAQUS等有限元軟件進(jìn)行了計(jì)算，鑒于簡(jiǎn)析計(jì)算方法的復(fù)雜性，通過簡(jiǎn)化參數(shù)等方法給出了基于部分實(shí)心混凝土墩柱抗震簡(jiǎn)化計(jì)算公式，比如塑性鉸高度、箍筋計(jì)算等，極大地方便了設(shè)計(jì)人員采用；(2)針對(duì)空心墩在地震中的表現(xiàn)，從兩個(gè)方面提升空心墩的能力，一是采用新材料(UHPC、FRP)，另外一種是采用新型的連接形式增強(qiáng)空心墩的強(qiáng)度、耗能能力等，從而規(guī)避空心墩的缺點(diǎn)，充分利用其優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地震破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，提出了許多提升空心墩抗震性能的方法，主要集中在設(shè)置不同的耗能結(jié)構(gòu)、新型結(jié)構(gòu)材料加固、組合結(jié)構(gòu)等方面，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證明其抗震的增強(qiáng)作用，但是這些研究相對(duì)已經(jīng)大規(guī)模投入工程使用的空心墩還有一定的局限和不足，以下幾個(gè)問題還需要進(jìn)一步研究：

(1)裝配式空心墩在地震作用下的力學(xué)行為、破壞模式、塑性鉸形成機(jī)制等研究較少，有必要加強(qiáng)理論研究，得到設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，更好地指導(dǎo)裝配式空心墩的設(shè)計(jì)。

(2)由于空心墩合理的混凝土本構(gòu)關(guān)系、損傷模型尚未完全建立，因此對(duì)于不同截面形式空心墩的損傷機(jī)理、破壞特點(diǎn)以及裂縫發(fā)展規(guī)律存在何種差異尚不完全明確，需要進(jìn)一步的研究。

(3)目前的研究大多集中于單柱墩，但工程中大量使用雙柱墩。排架墩由于兩個(gè)方向塑性鉸機(jī)制不同，加之動(dòng)軸力的存在、結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性等導(dǎo)致其抗震研究更為復(fù)雜，因此如何提升雙柱墩的抗震性能還有待進(jìn)一步研究。

(4)橋梁抗震是一個(gè)體系，目前空心墩的上部構(gòu)造形式繁多，改變主梁與蓋梁的連接方式等對(duì)整個(gè)空心墩橋梁體系的作用還缺乏定量的分析，有待進(jìn)一步深入研究。