鋼筋混凝土墩柱抗剪性能的影響分析

楊雅勛，黃 華

(1.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064;2.長安大學 建筑工程學院，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。此次地震使得重災區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，就調查區域情況來看，災區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、橋梁上部結構破壞和支座破壞。橋墩作為支撐橋梁上部構造的主要構件，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，只要下部結構不倒塌，上部結構在地震中的震害多表現為剛體移動，而主梁開裂、破壞等結構性震害較少，這一現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生，確保救災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構方面［4-11］。本文以橋梁墩柱的剪切破壞為研究對象，通過數值分析，指出影響墩柱抗剪性能的影響因素，為墩柱的抗剪設計及加固提供參考。

圖1 汶川地震中橋梁墩柱破壞形態

1 數值分析概況

橋梁墩柱的剪切破壞在汶川地震中表現較多，此處以某大橋為原型，建立縮尺模型，通過ANSYS有限元程序進行數值分析，揭示其內在的影響機理。

模型截面見圖2，材料參數見表1。主要考慮混凝土強度、箍筋數量、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 剪切破壞現象

數值計算結果見表2。表中Vy為箍筋屈服時的剪力，uy為墩頂的屈服位移，Vu為混凝土剪切破壞時的極限剪力，uu為墩頂的極限位移。由表2可見，隨墩柱各自參數的不同，特征荷載均有不同程度的變化。

表1 試件編號及分類

表2 數值計算結果

墩柱破壞時的典型應力云圖見圖3。圖3(a)為破壞時的混凝土第3主應力云圖，由圖3(a)可見混凝土達到抗壓強度，發生剪壓破壞。圖3(b)為鋼筋應力云圖，由圖3(b)可見，箍筋發生屈服時，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)結合表2數據可見，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力云圖

由圖4(b)可見，各墩柱箍筋應力發展趨勢基本一致，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)結合表2數據可見，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，各墩柱箍筋應力發展趨勢基本一致，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)結合表2數據可見，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，各墩柱箍筋應力、混凝土應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的變形幅度，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)結合表2數據可見，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，各墩柱箍筋應力、混凝土應力隨柱高度增加而發展加快，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，墩柱設計中應適當提高其混凝土強度。

2)墩柱軸壓比應適當，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，地震中發生剪切破壞的可能性增大，墩柱設計不宜過柔，已有墩柱應采取措施加強其剛度。

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