鋼筋混凝土橋墩抗震變形能力研究

孫治國

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

國內外近期發生的破壞性地震如1989年美國Loma Prieta地震、1994年美國Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年我國臺灣ChiChi地震和2008年我國汶川大地震，均對橋墩造成了嚴重震害。開展鋼筋混凝土橋墩抗震問題的研究，對保證橋梁結構抗震安全和交通生命線的暢通，具有十分重要的意義。確保橋墩在大震下具有良好的延性和耗能能力，是實現橋梁結構基于位移/性能抗震設計的重要前提。

本文基于大量試驗結果的分析，結合擬靜力試驗和數值模擬手段，對采用普通和高強鋼筋混凝土材料的實心和空心鋼筋混凝土橋墩地震變形能力進行了若干研究，具體包括橋墩延性變形能力及位移相關塑性鉸區約束箍筋用量、普通及高強鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長度、薄壁空心墩抗震擬靜力試驗、空心墩變形能力和橋墩彎剪數值分析模型等。主要工作和認識如下：

(1) 為研究鋼筋混凝土橋墩的延性變形能力和配箍要求，收集整理了國內外進行的234根實心橋墩的抗震擬靜力試驗數據，基于試驗結果對現有橋梁抗震規范對保證橋墩變形能力的可靠性進行了評價，通過回歸分析建立了彎曲破壞橋墩變形能力的表達式；并以2%和3%極限位移角為設計目標，提出了適用于普通及高強鋼筋混凝土橋墩的位移相關塑性鉸區約束箍筋用量計算公式，并進行了驗證。

(2) 為評價高強鋼筋和混凝土材料的應用對橋墩等效塑性鉸長度的影響，收集整理了國內外進行的108根普通及高強鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長度試驗結果，評價了國內外主要橋梁抗震規范中等效塑性鉸長度計算公式的可靠性。通過回歸分析討論了影響墩柱等效塑性鉸長度的主要因素并提出了新的表達公式。認為鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長度主要與試件高度、加載方向截面寬度和縱筋直徑有關。

(3) 總結了我國大型橋梁工程中空心橋墩的應用情況，設計了2個矩形薄壁空心墩試件并分別進行了定軸力和變軸力下的抗震擬靜力試驗。對比分析了試件的破壞過程和最終破壞形態、裂縫寬度、殘余位移和抗剪強度等。發現試件倒塌前表現出明顯的彎―剪破壞特征，包括彎曲與剪切開裂、混凝土壓碎破壞、縱筋屈曲等。由于損傷的逐步累積，試件變形超過2%位移角后，由于薄壁的失穩而引起了突然的倒塌，且變軸力下試件的倒塌破壞更為劇烈。

(4) 在總結國內外進行的空心墩抗震試驗結果的基礎上，分析了彎曲、彎剪和剪切破壞形態下空心墩的變形能力和主要影響因素，認為矩形空心墩變形能力主要與塑性鉸區配箍、縱筋配筋、壁厚和軸壓比等因素有關，隨箍筋、縱筋配筋和壁厚增加而增加，隨軸壓比增加而減少。討論了現有規范對保證空心墩變形能力的可靠性。最后基于Caltrans規范給出了不同極限位移角下空心墩塑性鉸區約束箍筋用量設計公式。

(5) 基于纖維模型和修正的壓力場理論(The Modified Compression Field Theory,MCFT)建立了鋼筋混凝土橋墩的彎剪數值分析模型，模型中以纖維模型模擬結構的彎曲變形成分和剪切力的極限荷載，以MCFT理論計算橋墩的剪切變形，兩者耦合共同考慮橋墩的彎剪作用。最終通過與6個彎剪破壞圓形截面橋墩擬靜力試驗結果的對比，驗證了模型的準確性。