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        鋼筋混凝土墩柱抗剪性能的影響分析

        2010-07-30 02:03:06楊雅勛
        鐵道建筑 2010年6期
        關(guān)鍵詞:墩頂軸壓墩柱

        楊雅勛,黃 華

        (1.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室,西安 710064;2.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710061)

        北京時間2008年5月12日下午2時28分,中國汶川發(fā)生8.0級大地震,震中烈度高達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重破壞,橋臺滑移、梁和橋臺受擠壓、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,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,此處以某大橋為原型,建立縮尺模型,通過ANSYS有限元程序進行數(shù)值分析,揭示其內(nèi)在的影響機理。

        模型截面見圖2,材料參數(shù)見表1。主要考慮混凝土強度、箍筋數(shù)量、軸壓比、墩柱高度等對墩柱抗剪性能的影響。柱的縱筋 8根 φ25 mm,屈服強度 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)值計算結(jié)果見表2。表中Vy為箍筋屈服時的剪力,uy為墩頂?shù)那灰?,Vu為混凝土剪切破壞時的極限剪力,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 試件編號及分類

        表2 數(shù)值計算結(jié)果

        墩柱破壞時的典型應(yīng)力云圖見圖3。圖3(a)為破壞時的混凝土第3主應(yīng)力云圖,由圖3(a)可見混凝土達到抗壓強度,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,縱向鋼筋遠未達到屈服強度,破壞方式為典型的剪切破壞。

        2.2 混凝土強度的影響

        混凝土強度對抗剪性能的影響曲線見圖4,主要考慮 C30、C40、C50三種強度。

        由圖4(a)結(jié)合表2數(shù)據(jù)可見,混凝土強度對墩柱抗剪性能有非常大的影響,隨混凝土強度提高,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。但混凝土強度最低的墩柱,其箍筋最先受力,且混凝土強度越高,箍筋屈服及破壞越晚。圖4(c)進一步說明了混凝土強度越高,抗剪承載力越大。墩柱宜采用較高強度的混凝土。

        圖4 混凝土強度對墩柱抗剪性能的影響

        2.3 軸壓比的影響

        軸壓比對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,但過大的軸壓比會對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 軸壓比對墩柱抗剪性能的影響

        2.4 箍筋用量

        箍筋用量對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,直到荷載達到300 kN以上時,才有所變化。

        由此可見,通過FRP、粘鋼等進行抗剪加固,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很大。

        圖6 箍筋用量對墩柱抗剪性能的影響

        2.5 柱高度

        柱高度對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柱的剛度。

        圖7 柱高度對墩柱抗剪性能的影響

        3 結(jié)論

        1)混凝土強度對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)計中應(yīng)適當提高其混凝土強度。

        2)墩柱軸壓比應(yīng)適當,過大的軸壓比會對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的屈服荷載和變形,但對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)計不宜過柔,已有墩柱應(yīng)采取措施加強其剛度。

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