劉錦釧

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地震是由于地殼運動產生的突發(fā)式自然災害的一種類型，通常會帶來重大的經濟損失。我國大部分地區(qū)都處于地震災害影響范圍，而當地震災害來臨時，橋梁結構是生命通道的重要組成部分[1]。特別是對于大跨度橋梁而言，由于地震破壞后修復難度大，對結構抗震性能的要求更高。因此許多業(yè)內人士對橋梁抗震計算方面作了大量研究。西南交通大學袁蔚[2]利用MIDAS對連續(xù)拱的組合橋梁在縱向地震和橫向地震作用下的抗震性能以及破壞部位進行計算分析，結果得出橫向力作用容易引起橋梁發(fā)生剪切破壞，而豎向地震力則主要會引起結構變形，沉陷等病害發(fā)生。周勇軍[3]等則針對橋墩的截面形式對連續(xù)剛構彎橋的地震響應產生的影響作用分析后得出剛度相同時空心墩和實心墩對地震響應區(qū)別不大，空心墩的墩底應力和位移較大。筆者則根據山西胡李汾河大橋實際情況，在地震荷載下橋梁結構的破壞形態(tài)、墩柱結構、配筋設計以及結構性能進行分析，得出地震荷載在不同配筋方式下對橋墩的影響效果，以此進一步分析縱向鋼筋和箍筋的設置目的。

1 工程概況

胡李汾河大橋位于山西省臺襄線襄汾縣城過境公路改建工程K1+512.0處。上部結構采用13孔30 m裝配式預應力混凝土連續(xù)箱梁，下部結構采用柱式墩、肋板臺，鉆孔灌注樁基礎，如圖1所示。區(qū)內的地震從歷史及近期的資料來看都表明本區(qū)地殼活動是強烈和頻繁的，山西有70%的地震都集中在汾渭地塹中。胡李汾河大橋項目區(qū)域位于地震烈度為8度區(qū)，地震的動峰值加速度能夠達到0.2g，因此，對橋梁結構的抗震性能要求高。

圖1 胡李汾河大橋橋型布置圖

2 地震力作用效應分析

地震產生的地震波形多樣，地震力傳播方向也比較復雜，因此對橋梁結構的破壞形態(tài)也較為多樣。

2.1 地震波形分析

地震是由于地殼運動引起地面發(fā)生縱向和水平向震動的一種釋放能量的形式。如圖2所示，產生的波形主要有P波和S波兩種，P波就是縱波，主要引起地表發(fā)生縱向震動，S波是橫波，導致地面發(fā)生水平晃動。

圖2 地震波的類型與傳播示意圖

2.2 地震對橋梁結構的影響

2.2.1 彎曲破壞

橋梁結構剪切破壞力超過結構彎曲承載力所致。由于構件的抗彎曲能力相對較低，在地震水平作用力的反復作用下，損傷截面會形成塑性鉸[4]?；剞D變形增大，結構剛度下降導致結構破壞。

2.2.2 剪切破壞

結構受到剪切破壞主要發(fā)生在斜截面，基本形式為剪切裂縫，這種破壞形態(tài)屬于脆性破壞，在地震力作用下，如果橋梁墩柱的斜截面受力鋼筋布置過少，會引起橋梁發(fā)生致命性剪切破壞。

2.2.3 梁體垮落

在地震水平力和豎向力共同作用下，會引起橋梁搭接節(jié)點部位水平位移過大，引起梁與墩柱之間錯位甚至發(fā)生梁體下落現象。

2.2.4 支座損傷

地震引起橋梁上部結構產生極大的慣性力，慣性力傳遞到下部結構是通過支座，該部位容易發(fā)生應力集中導致支座損傷。

3 地震作用下墩柱配筋及承載力分析

墩柱的配筋方案很大程度上決定結構的抗震性能，縱向鋼筋主要抵抗來自上部結構以及部分水平荷載產生的彎曲變形，結構剪切破壞則與墩柱箍筋布置情況有關。

3.1 地震作用下墩柱運動分析

由于地震作用時在地表會產生水平力和豎向力，豎向力作用使墩柱受到壓力和拉力作用，而水平力使墩柱產生轉動彎曲，水平剪切破壞。墩底發(fā)生位移反應如圖3所示。

圖3 地震荷載下橋墩底部運動特征

由于墩柱上端與橋梁上部通過支座連接，上部剛性約束小。利用簡化模型來分析墩柱的運動狀態(tài)變化情況，如圖4所示。

圖4 簡化墩柱運動情況示意圖

地震發(fā)生時，墩柱在地震力作用下發(fā)生運動，引起墩柱彎曲、剪切，導致墩柱內部產生多個塑性鉸，墩柱內部的剛度逐漸降低，從而引起墩柱結構發(fā)生破壞。

3.2 正截面抗彎強度分析

根據橋梁設計基本情況，如圖5所示為橋梁1～12號墩柱墩身a以及樁基b鋼筋布置示意圖，主筋設置28根φ25的鋼筋。

圖5 墩柱鋼筋布置情況示意圖

3.2.1 墩柱構造及配筋計算

根據橋梁設計方案，對墩柱構造、荷載狀況以及縱向鋼筋配筋率進行計算分析，在最不利荷載狀況下滿足承載力時，縱向鋼筋的配筋率計算結果如表1所示。

表1 1～12號墩柱基本參數

3.2.2 正截面承載分析

對于橋梁墩柱，上部結構主要對墩柱產生壓應力，一般情況下，風力作用產生的橫向力作用相對較小，但是地震荷載作用會引起結構正截面彎曲甚至破壞。縱向構造鋼筋能夠提高截面的極限抗彎承載力，減少混凝土收縮徐變，能有效提高結構物的剛度，同時，也能夠提高墩柱結構的延性，增強墩柱的抗震性能。

3.3 斜截面抗剪強度分析

在墩柱配筋設計中，配置箍筋的作用能夠約束柱體發(fā)生側向變形，但是，對于地震區(qū)的橋梁墩柱而言，由于結構受到水平力作用較大，合理配置箍筋能夠提高結構的抗剪切性能。如圖6所示為胡李汾河大橋墩柱箍筋配置情況。

圖6 墩柱箍筋布置情況示意圖

3.3.1 箍筋設計及計算

由于墩柱在地震荷載的反復作用下會產生塑性鉸，塑性鉸區(qū)域的剛度會逐漸下降，導致結構剪切破壞，根據《公路工程抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）[5]的規(guī)定，在塑性鉸區(qū)域內設置加密箍筋，其最小體積的配箍率應當大于0.4%，以此提高墩柱的延性，結合工程實際情況進行，采用兩種箍筋設計方式，分別計算其配箍率，以此分析箍筋的配置方式對抗剪承載力的影響作用，基本設計參數如表2所示。

表2 箍筋設計計算參數

表2計算結果中，配箍率為0.441 8%用于實際工程，配箍率為0.628 3%用作本文第4節(jié)對箍筋作用的數值模擬分析的基本參數之一。

3.3.2 抗剪承載性能分析

箍筋配置能夠對混凝土內部裂縫起到約束限制作用，能夠增強結構的連接性能，并起到固定縱向鋼筋的作用，使之形成撓度的鋼筋骨架，箍筋主要承受剪切力，也就是斜向拉壓力，由于應力傳遞過程中會發(fā)生應力集中[6]。對于與縱向鋼筋同向的配筋，通過彎起鋼筋進行約束，在彎起部位容易產生劈裂裂縫，因此箍筋的設置主要用于承受結構受到的剪力作用。地震荷載中的水平力，使結構發(fā)生震動，增強了墩柱水平剪切力和斜向拉力，因此，配置箍筋的目的主要是為了抵抗地震荷載的水平力作用。

4 有限元模型分析

通過ANSYS有限元軟件，建立墩柱模型分析墩柱縱向鋼筋和箍筋各自在地震力作用下起到的作用。數值模擬過程中，在軸向施加壓應力方式來模擬橋梁上部結構產生的壓應力作用，以及在墩上施加水平力的方式模擬地震水平力，計算分析過程中，選擇橋墩基本計算參數如表3所示。

表3 計算參數設置

4.1 墩柱抗彎性能評價

采用ANSYS有限元軟件建立墩柱受彎結構分析模型，然后進行數據處理，進入POST26后得出的受壓模型如圖7所示。

圖7 墩柱抗彎性能分析模型

通過計算結構在設置素混凝土、設置縱向鋼筋以及兩種箍筋配置情況下墩柱承載力變化情況，來對比分析縱向鋼筋和箍筋在受彎曲應力中的作用效益，分析結果如圖8所示。

圖8 不同配筋方式下墩柱抗彎極限承載力

從圖8所示抗彎極限承載力看，設置縱向鋼筋和素混凝土相比，極限承載力提高了90%，這說明設置縱向鋼筋很大程度上能夠提高墩柱的抗彎強度承載力，提高幅度較大，縱向鋼筋起到構造鋼筋的作用和增強抗彎性能。即便箍筋對墩柱混凝土起到約束作用，箍筋發(fā)揮的作用非常小，與僅設置縱向鋼筋的墩柱比，增加幅度僅有3.008%，由此可知，箍筋的配置對提高墩柱抗彎強度貢獻甚微，而兩種不同箍筋配置方案下，墩柱極限承載力極差僅有2 kN。由于橋梁上部結構作用，墩柱主要承受壓應力，在此不對墩柱的抗拉強度進行分析。

4.2 墩柱斜截面抗剪性能評價

當混凝土墩柱受到水平應力作用時，就會發(fā)生彎曲，利用ANSYS軟件建立模型，邊界條件是兩端鉸接，施加斜向剪切作用力，進入POST26后得出墩柱結構受剪切模型如圖9所示。

圖9 墩柱斜截面抗剪性能分析模型

通過有限元建立模型，為墩柱施加斜向作用力，使墩柱結構斜截面發(fā)生剪切破壞，并對比分析素混凝土、僅設置縱向鋼筋以及兩種箍筋配置方式下墩柱斜截面的抗剪切承載力變化情況，設置兩種不同箍筋配置方式，是為了進一步分析墩柱在地震產生的剪應力作用下的承載性能，以此說明箍筋的配置情況主要是針對地震荷載設計的，有限元分析結果如圖10所示。

圖10 不同配筋方式下墩柱斜截面抗彎極限承載力

根據圖10分析結果，在不同配筋方式下，墩柱斜截面抗剪強度變化較大。對墩柱設置縱向鋼筋和配置箍筋都有利于提高斜截面的抗剪強度性能。相對于素混凝土而言，縱向鋼筋的設置能夠提高83.75%的抗剪極限承載力，在箍筋配置方案1中，不僅滿足抗震規(guī)范要求，而且提高的抗剪極限承載力為42 kN。在方案2中，使用螺旋箍筋直徑為16 mm，使螺旋箍筋截面面積為201.061 9 mm2，配箍率達到0.628 3%時，墩柱斜截面抗剪極限承載力是素混凝土的2.85倍。對比兩種箍筋配置方式下，斜截面的抗剪強度變化情況可知，在一定范圍內，配箍率越大，斜截面抗剪極限承載力越大。根據混凝土設計規(guī)范，配箍率不宜過大，當配箍率過大時，雖然承載力高，但是結構破壞前的征兆不明顯，而且箍筋無法達到屈服，這種情況下造成了箍筋強度的浪費。因此，在考慮地震荷載，通過配置箍筋提高斜截面抗剪強度時，還需根據混凝土強度等級、縱向構造鋼筋等因素合理控制配箍率。

5 結語

從地震波及其對橋梁結構的影響分析入手，并以山西臺襄線過境公路胡李汾河大橋為例，結合ANSYS有限元分析軟件對地震作用下墩柱配筋及承載性能進行分析，最終得出以下結論：

a）地震荷載作用對橋梁下部結構產生的破壞形態(tài)主要包括回轉變形增大的彎曲破壞、剪切裂縫形式的剪切破壞、位移過大引起的梁體垮落、應力集中導致的支座損傷4種。

b）通過對地震荷載下墩柱構造鋼筋、箍筋設計計算以及承載性能分析，縱向架立鋼筋主要起到構建結構框架，增強正截面抗彎性能的作用，而箍筋設置則能夠增強抗剪切性能。

c）ANSYS分析結果得出，縱向鋼筋是根據結構受力狀況進行設計，而箍筋的設置主要按照結構抗震性能，用于提高結構斜截面抗剪性能而設。