尉立基,封 偉

(1.山西交通控股集團(tuán)有限公司臨汾北高速公路分公司,山西 臨汾 041000;2.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710000)

0 引 言

高速公路的蓬勃發(fā)展,在方便出行的同時(shí)也使得人們對(duì)于交通設(shè)施更為依賴,作為跨越河流山谷的橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,當(dāng)遭遇強(qiáng)烈地震時(shí),橋梁的損毀不僅會(huì)使得交通中斷,更會(huì)危及到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。震后災(zāi)區(qū)重建,線路的暢通是保障,如果作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的橋梁無(wú)法抵抗地震力破壞可能會(huì)引起整條線路的中斷,災(zāi)害治理速度會(huì)大打折扣,縱觀歷史,破壞性地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,表明了墩柱的抗震性能的重要性。

由于剛構(gòu)橋具有跨度大、受力合理、抗震性能好、美觀、方便轉(zhuǎn)體施工等優(yōu)勢(shì),在我國(guó)高烈度區(qū)廣泛采用[1],大跨剛構(gòu)橋一般均跨越河流,地質(zhì)條件比較差,一般存在液化、沖刷現(xiàn)象等對(duì)抗震不利的條件。因此在高烈度區(qū)如何對(duì)大跨剛構(gòu)橋的墩柱和樁基的截面尺寸、配筋率等做出相應(yīng)的調(diào)整,使橋梁在滿足抗震要求的前提下結(jié)構(gòu)體系及特性得到優(yōu)化顯得尤為重要[2]。

1 橋梁墩柱震害

1.1 彎曲破壞

橋梁的彎曲破壞即當(dāng)橋梁墩柱截面尺寸小剪跨比大時(shí),由于橋梁截面的抗彎強(qiáng)度不足或其配筋不合適導(dǎo)致延性不足,造成墩柱截面失效而破壞。其失效模式根據(jù)破壞程度分以下兩種:發(fā)生輕、中度破壞時(shí),橋梁墩柱的塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層剝落、裂縫表現(xiàn)為水平彎曲狀,橋梁墩柱的主筋、箍筋處于屈服狀態(tài);發(fā)生重度破壞時(shí),橋梁墩柱的塑性鉸區(qū)核心混凝土壓潰,縱筋和箍筋外露、發(fā)生嚴(yán)重屈曲或斷裂。

1.2 剪切破壞和彎剪破壞

橋梁的剪切破壞是當(dāng)墩柱截面大剪跨比小時(shí),墩柱截面配箍率不夠發(fā)生的墩柱失效模式,其表現(xiàn)為:橋梁墩柱塑性鉸區(qū)的混凝土壓碎剝落、主筋處于屈曲狀態(tài)、箍筋剪斷、橋梁墩柱整體主裂縫呈斜向滑移式破壞模式。發(fā)生剪切破壞的橋墩,表明橋墩由于截面大小和配箍率的不當(dāng),導(dǎo)致橋梁延性和消耗地震力能量的能力較差,發(fā)生的破壞一般為脆性破壞,造成的影響巨大。在矩形截面橋墩中,若箍筋彎鉤角度不足或錨固長(zhǎng)度不夠、軸壓比過(guò)高,也會(huì)導(dǎo)致橋梁墩柱發(fā)生剪切破壞。

橋梁墩柱的失效模式主要分為以上兩種,而彎剪破壞是一種介于彎曲與剪切破壞之間的一種失效形式,其產(chǎn)生的原因是兩者的綜合作用。

1.3 縱筋搭接破壞

為了降低施工難度,我國(guó)早期設(shè)計(jì)的很多橋梁墩柱的主筋不是通長(zhǎng)的,這就導(dǎo)致橋梁墩柱與承臺(tái)或樁基的連接依靠縱筋搭接,而該位置正好為橋梁墩柱塑性鉸區(qū),由于其搭接長(zhǎng)度不足和箍筋間距較大,不能對(duì)橋梁墩柱起到很好的約束作用,進(jìn)而造成其塑性鉸區(qū)的延性差,導(dǎo)致橋梁墩柱無(wú)法抵抗地震帶來(lái)的位移,使得橋梁墩柱搭接部位發(fā)生粘結(jié)破壞,橋梁墩柱的抗震性能無(wú)法滿足需求。另外,剛構(gòu)橋也會(huì)發(fā)生落梁破壞。

綜上所述,地震作用給橋梁墩柱帶來(lái)的失效模式有以下幾種:彎曲破壞、剪切破壞和介于兩者之間的彎剪破壞。彎曲破壞屬于一種延性失效模式,其表現(xiàn)形式由輕微到嚴(yán)重依次為保護(hù)層開(kāi)裂、混凝土剝落壓潰、鋼筋裸露和彎曲等,在發(fā)生彎曲破壞的同時(shí),給橋梁墩柱帶來(lái)很大的塑性變形;剪切破壞屬于一種脆性失效模式,剪切破壞會(huì)使鋼筋混凝土的強(qiáng)度和剛度急劇下降,其失效更為突然,因此其危害性更大;另外橋梁墩柱的基腳破壞也是一種常見(jiàn)的失效模式,尤其存在于墩柱與基礎(chǔ)采用了一定連接筋的橋梁墩柱,在地震作用下極易引發(fā)墩梁倒塌的嚴(yán)重后果,而節(jié)點(diǎn)的破壞主要是剪切破壞。因此在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合最新的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231-01—2020),在滿足抗震構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行墩柱、樁基的截面及配筋率驗(yàn)算,進(jìn)而優(yōu)化方案。

2 國(guó)內(nèi)外研究成果

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能開(kāi)展了大量研究,主要研究方向有采用塑性鉸單元進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析研究其進(jìn)入塑性狀態(tài)以后的性能、行波效應(yīng)和樁土效應(yīng)對(duì)其影響和連續(xù)剛構(gòu)橋減震控制等。

2.1 國(guó)外研究成果

為了應(yīng)對(duì)地震給結(jié)構(gòu)物(橋梁或房屋)帶來(lái)的危害,在上世紀(jì)國(guó)外研究人員就進(jìn)行了大量地震數(shù)據(jù)采集,在上世紀(jì)九十年代,多個(gè)國(guó)家建立起了適應(yīng)自己國(guó)情的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),為抗震領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。比較知名的數(shù)據(jù)庫(kù)有日本建立的Kawashima和美國(guó)建立的PEER墩柱性能數(shù)據(jù)庫(kù)[3],該數(shù)據(jù)庫(kù)的建立標(biāo)志著國(guó)外對(duì)于墩柱抗震研究已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。但由于我國(guó)對(duì)該方面研究起步晚,地震的突發(fā)性和隨機(jī)性、地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)落后等因素限制了我國(guó)對(duì)于地震試驗(yàn)墩柱數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,因此到目前為止,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一個(gè)完備齊全、公開(kāi)的數(shù)據(jù)系統(tǒng),無(wú)法針對(duì)我國(guó)國(guó)情對(duì)橋梁或其他結(jié)構(gòu)的墩柱進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)模擬,只能依靠國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行研究,阻礙了我國(guó)橋梁抗震的發(fā)展進(jìn)程。

2.2 國(guó)內(nèi)研究成果

我國(guó)作為一個(gè)地震災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家,對(duì)墩柱抗震性能研究起步較晚。自從二十世紀(jì)七十年代唐山大地震之后,我國(guó)學(xué)者開(kāi)始對(duì)鋼筋混凝土柱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行延性研究[4],并取得了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果。

最開(kāi)始的試驗(yàn)對(duì)象為房建中的鋼筋混凝土框架柱,國(guó)內(nèi)著名建筑高校如清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、大連理工大學(xué)等均積極開(kāi)展該類墩柱的試驗(yàn)?zāi)M,并取得了階段性成果,其成果集中涌現(xiàn)在上世紀(jì)八十年代,如清華大學(xué)的沈聚敏團(tuán)隊(duì)對(duì)鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的延性和滯回耗能曲線進(jìn)行了詳細(xì)研究,同濟(jì)大學(xué)的朱伯龍團(tuán)隊(duì)在對(duì)鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件延性和滯回曲線研究的基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析等。早期的這些研究成果都為將來(lái)我國(guó)橋梁抗震的研究發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[5]。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土墩柱的抗震性能研究可知,混凝土標(biāo)號(hào)(強(qiáng)度等)、結(jié)構(gòu)的剪跨比和軸壓比、截面(尤其是塑性鉸區(qū))的箍筋和縱筋的配筋率這五個(gè)因素對(duì)橋梁墩柱的延性產(chǎn)生了較大的影響。

3 墩柱合理截面及配筋率研究

3.1 墩柱設(shè)計(jì)主要控制參數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和研究可知,橋梁墩柱所受水平力的大小直接決定其是否破壞,水平力的大小也決定著橋梁墩柱設(shè)計(jì)截面的尺寸。通常,相同主梁作用下不同截面的橋梁墩柱其所承受的水平力與其剛度成正比,如果將剛度不等的橋墩通過(guò)主梁連為一體,這樣縱向水平力就會(huì)按各橋墩的剪力剛度進(jìn)行分配,大部分傳向剛度大的橋墩和橋臺(tái),小部分傳給剛度小的橋墩。軸壓比和主筋對(duì)等效屈服彎矩、位移及延性水平影響較大,配箍率對(duì)等效屈服彎矩?zé)o影響,對(duì)位移及延性水平影響較大。在滿足靜力作用下的同時(shí)也應(yīng)滿足延性位移等需求,從而使橋墩在地震作用下可以保持預(yù)期中發(fā)揮的作用,保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

(1)軸壓比。

軸壓比是橋墩的軸心壓力與其軸心抗壓力之比,為了節(jié)約材料,控制造價(jià),導(dǎo)致設(shè)計(jì)截面的軸壓比較大,使得結(jié)構(gòu)越不安全,其抗震性能變差,軸壓比u為

(1)

式中:N為墩柱軸力值;A為墩柱截面面積;fc為墩柱混凝土軸向抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

軸壓比是抗震設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo),控制軸壓比是為了避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞,通過(guò)工程實(shí)踐可知,軸壓比小的墩柱其地震破壞程度遠(yuǎn)小于軸壓比大的墩柱,小的軸壓比會(huì)使得結(jié)構(gòu)具有更好的延性。一般在抗震設(shè)計(jì)中,若上部結(jié)構(gòu)確定,其軸力一般不會(huì)變化較小,根據(jù)公式(1)可知,可通過(guò)增大設(shè)計(jì)截面的面積來(lái)控制軸壓比滿足規(guī)范限值要求。

(2)縱筋配筋率。

縱筋配筋率一般取塑性鉸區(qū)截面縱向受力鋼筋與截面有效面積的比值。其值的大小直接影響橋梁墩柱的延性。超筋或少筋均有可能使墩柱在地震作用下發(fā)生脆性破壞,危害巨大。因此,合理的配筋率是延性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。我國(guó)規(guī)范規(guī)定墩柱的縱向鋼筋宜對(duì)稱均勻布置,配筋率在0.6%與4%之間即可。

(3)箍筋配筋率。

在橋梁墩柱抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中,合理的配箍率可使截面承載力和延性提高,也是影響混凝土構(gòu)件抗剪承載力的主要因素,可提高橋梁墩柱在地震力作用下的變形能力。2020版規(guī)范和《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)對(duì)烈度為7°和8°區(qū),給出了墩柱塑性鉸區(qū)加密箍筋的最小體積配箍率,如公式(2)、公式(3)所示。并對(duì)烈度9°及以上地區(qū)提出其配箍率應(yīng)視情況增加,進(jìn)而提高橋梁墩柱的延性。

圓形截面時(shí),

ρs,min=[0.14ηk+5.84(ηk-0.1)(ρt-0.01)+

(2)

矩形截面時(shí),

ρs,min=[0.1ηk+4.17(ηk-0.1)(ρt-0.01)+

(3)

式中:ρs,min為最新體積配筋率;ηk為軸壓比;ρt為縱向配筋率;fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;fhk為箍筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 墩柱截面驗(yàn)算

(1)墩柱截面驗(yàn)算原則。

由于地震的突發(fā)性和破壞性,為防止墩柱發(fā)生脆性破壞,就需要引入延性設(shè)計(jì)的抗震概念,通過(guò)墩柱的延性來(lái)達(dá)到耗能的作用,來(lái)適應(yīng)地震力帶來(lái)的位移。因此,就需要墩柱結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震加速度范圍內(nèi)必須保證滿足設(shè)計(jì)可靠度指標(biāo)的延性儲(chǔ)備[6]。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),就必須進(jìn)行延性需求與能力分析比較。在設(shè)計(jì)階段,根據(jù)過(guò)渡墩、主墩墩身結(jié)構(gòu)的截面詳細(xì)配筋圖,對(duì)關(guān)鍵截面、各橋墩墩底及群樁基礎(chǔ)進(jìn)行了驗(yàn)算。通過(guò)有限元對(duì)墩柱截面進(jìn)行纖維單元?jiǎng)澐?在截面上施加相應(yīng)的軸力,得到該截面的設(shè)計(jì)彎矩-曲率曲線圖,如圖1所示。

Mu、Meq、My—依次為極限彎矩、等效屈服彎矩、初始屈服彎矩;依次為初始屈服彎矩、等效屈服彎矩、極限彎矩對(duì)應(yīng)的曲率。

截面等效抗彎強(qiáng)度是理論上簡(jiǎn)化的一種模型,其原則是將截面在軸力作用下的非線性彎矩曲率曲線等效成兩條直線,來(lái)表示其截面的彈塑性。中間的等效抗彎強(qiáng)度Meq可由圖1中陰影部分面積相等來(lái)計(jì)算得出。其中My為橋梁墩柱截面在最不利軸力作用下,最外側(cè)主筋首次屈服時(shí)的彎矩,稱為初始屈服彎矩;因此,等效屈服彎矩為Meq;極限彎矩為Mu,在該彎矩作用下,截面已達(dá)到失效狀態(tài)的臨界值。

(2)墩柱截面驗(yàn)算方法。

根據(jù)前述對(duì)橋梁抗震性能延性設(shè)計(jì)方法,對(duì)具體截面進(jìn)行抗震性能延性設(shè)計(jì)步驟如下所示。

以墩柱常用截面(矩形和圓形)為例,通過(guò)Ucfyber有限元軟件,將截面的實(shí)際截面尺寸和鋼筋混凝土本構(gòu)模型輸入,分別對(duì)鋼筋和混凝土進(jìn)行劃分單元,通過(guò)其本構(gòu)模型來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,劃分完成后的纖維單元截面。通過(guò)施加軸力,采用截面數(shù)值積分法對(duì)鋼筋混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算,可得到軸力作用下的彎矩-曲率曲線,進(jìn)而得到初始屈服彎矩My、等效屈服彎矩Meq和極限彎矩為Mu。

橋梁墩柱結(jié)構(gòu)在地震力E1作用下應(yīng)采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論,即地震力作用下產(chǎn)生的彎矩應(yīng)小于截面的初始屈服彎矩My,結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),基本無(wú)損傷。

橋梁墩柱結(jié)構(gòu)在地震力E2作用下,若要保證其截面處于彈性狀態(tài),可能會(huì)使得截面超筋或大大增加造價(jià),不經(jīng)濟(jì),因此在該狀態(tài)下應(yīng)采用延性設(shè)計(jì)理論。對(duì)于關(guān)鍵性截面如:橋塔截面、墩柱截面和樁基截面要求地震力作用下產(chǎn)生的彎矩應(yīng)小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq,并且要求小于極限彎矩,保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。其中,樁基按能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)際上,在地震過(guò)程中,當(dāng)橋梁墩柱截面地震力產(chǎn)生的彎矩達(dá)到等效抗彎屈服彎矩時(shí),其最外側(cè)主筋會(huì)有部分鋼筋進(jìn)入了屈服狀態(tài),地震作用下會(huì)使截面產(chǎn)生超過(guò)裂縫寬度允許值的裂縫,如果達(dá)不到極限彎矩,墩柱截面的保護(hù)層還是完好的(保護(hù)層破壞的彎矩為極限彎矩Mu,Meq≤Mu),由于地震力持續(xù)時(shí)間短,在地震發(fā)生以后,由于自重作用,裂縫一般均可自行閉合,不會(huì)影響車輛通行性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于力學(xué),對(duì)墩柱震害進(jìn)行了分析研究歸類。

(2)根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料,分析得到影響墩柱合理截面及配筋率的關(guān)鍵因素。

(3)結(jié)合規(guī)范,提出大跨徑剛構(gòu)橋墩柱截面驗(yàn)算原則及一般方法。