鋼筋混凝土箱型墩柱破壞模式分析

陶志強 宋志超/華北理工大學 建筑工程學院

鋼筋混凝土箱型墩柱破壞模式分析

陶志強 宋志超/華北理工大學 建筑工程學院

箱型墩柱相比實心墩柱具有節材、自重輕且具有較好的空間整體受力性能，因此大型橋梁高墩常常采用箱型墩柱。橋墩作為橋梁的支撐結構和主要的抗側力構件，容易受到地震災害的破壞造成橋梁坍塌。文章通過對震災橋墩及相關試驗研究箱型墩柱的破壞情況進行分析研究，系統的闡述了箱型墩柱的破壞模式，以期為相關領域的研究和墩身加固措施提供一定的參考。

橋梁；箱型墩柱；破壞模式

引言

隨著我國交通建設的發展，尤其是西部山區鐵路、公路的興建，大量的橋梁被建設用于跨越河谷深溝。由于地形復雜、山高坡陡，橋梁下部采用的橋墩往往高差懸殊，即使在同一座橋梁中，墩高也會差異很大。在已建成及正在設計規劃中的高等級公路中，墩高超過40m的高墩橋梁占橋梁總數的40%以上。當墩高較小時，一般采用實心的圓柱墩或矩形墩，但是當墩高較高超過40m時，通常采用空心薄壁墩，墩的截面形式主要為圓端型空心墩和矩形空心墩（也稱為“箱型墩”）[1]，其中，箱型墩柱由于其截面形式簡潔便于施工，且具有很好的空間受力形式，因而在我國大型橋梁中應用非常廣泛。

我國是世界上地震災害最為嚴重的國家之一，發生的地震具有強度高、持續時間長、發生頻率高、破壞性強等特點。作為主要的交通生命線工程，橋梁結構的震害不僅會直接帶來嚴重的經濟損失和人員傷亡，而且交通大動脈的中斷會嚴重影響震后救援工作的及時開展。因此，橋梁結構抗震問題的研究一直是土木工程中的熱點問題，橋墩的抗震性能和破壞模式的研究就顯得尤為重要，對其進行研究從而采取相應措施提高橋梁的抗震能力非常必要。

一、箱型墩柱結構特點

傳統的空心薄壁式高墩一般包括實體過渡段、標準段和橫隔板。受到泊松效應影響，空心薄壁高墩在較大壓應力作用下，墩壁有局部外凸的趨勢，橫隔板的存在可以限制墩壁的橫向變形，從而推遲局部穩定破壞的發生。但是研究表明等截面高墩的局部失穩多發生在靠近墩底的位置，局部穩定問題并不突出，因此橫隔板的設置實際意義并不大。另一方面帶有橫隔板的空心橋墩施工較為復雜，每到橫隔板位置處都需要拆裝模板，造成施工的中斷，極大的影響了施工速度。因而，目前大部分薄壁空性橋墩不在設置橫隔板。

箱型墩柱與實心墩柱相比具有許多優勢，首先與相同截面尺寸的實心墩柱相比箱型墩柱能節省材料40%左右，在大幅減少圬工量的同時還能減輕結構自重，進而也減輕了基礎和承臺的承載壓力。另一方面，箱型的截面形式對于大體積混凝土水化熱問題的解決也大有裨益。但是，箱型截面構件的受力相對較為復雜[2]，由于空心截面形式造成橋墩成為典型的“強彎弱剪”構件并且這種截面形式也使得箍筋難以發揮核心混凝土的約束效應，不利于橋墩塑性鉸的形成、發展和延性抗震設計理念的實現。

二、箱型墩柱相關研究方法

在我國地震災害頻發，在地震作用下，橋梁容易遭受到不同程度上的破壞。與上部結構相比，橋墩作為橋梁的主要抗側力構件更容易受到地震的破壞，墩柱的失效也常常是橋梁倒塌的主要原因，這已在過去的多次的破壞性地震中得到證實，其抗震問題的研究也是橋梁抗震研究的重點[3]。從歷次地震中箱型橋墩破壞情況來看，主要呈現為彎剪破壞，嚴重的發生傾斜甚至倒塌，進而造成橋梁上部結構的塌跨、傾覆。例如，2008年汶川地震中位于映秀鎮的百花大橋，橋墩抗彎能力不足墩底混凝土的壓潰損壞[4]。

國內外研究人員針對箱型橋墩進行了一系列的研究，試驗研究方法主要采用的擬靜力試驗，即在箱型墩柱的軸向施加恒定軸向壓力，水平方向對結構施加往復循環荷載，模擬地震時結構在往復振動中的受力特點和變形特點。通過擬靜力試驗可以獲得結構和構件的強度、剛度、滯回性能等一系列的指標和參數及箱型墩柱的破壞形式。試驗主要分為單向擬靜力試驗研究和雙向擬靜力試驗研究。單向擬靜力試驗多是在箱型墩柱順橋向或橫橋向中的一側加載低周往復荷載，除了正向加載外，湖南大學相關研究人員還進行了斜向水平加載的試驗[5]。實際上地震過程中無論是地面運動還是結構的地震反應都是多維度的，因此研究人員也進行了一些多維加載試驗，其中主要是雙向擬靜力試驗，試驗結果表明在雙向加載條件下，箱型墩柱的抗震性能要明顯低于單向加載的箱型墩柱。

三、箱型墩柱破壞過程

試驗中隨著軸壓比、配箍率、配筋率、高寬比，剪跨比、空心墩壁厚等因素的變化，箱型墩柱抗震性能產生了明顯的改變，如：高軸壓比在延緩裂縫出現的同時，降低了延性抗震能力試件塑性鉸區域破壞嚴重；配箍率的較高時，試件的耗能能力和延性也相對較高。但無論單向擬靜力試驗還是雙向擬靜力試驗中箱型墩柱大都呈現為彎剪破壞，即使是彎曲破壞的箱型墩柱，在變形較小的時候，也會出現剪切裂縫。

其破壞的過程大致如下：破壞初期，主要在箱型墩柱下部受拉區域產生水平彎曲裂縫，裂縫分布在箱型墩柱水平加載一側靠近墩底的位置，并且裂縫大多對應箍筋部位；隨著加載的進行箱型墩柱水平裂縫逐漸上移，產生更多新的裂縫，原有裂縫持續發展、加寬、貫通，同時裂縫由加載面通過棱角向側面延伸，延伸到空心處時向斜向發展，形成剪切斜裂縫，反復的推拉過程中，側面裂縫發展成漏斗狀；當到達極限荷載時，加載面墩身下部形成塑性鉸區域，原有水平裂縫產生出分叉裂縫，且在空心部位箍筋間距處出現豎向裂縫，此后，裂縫發展交錯，形成網狀裂縫，混凝土開始少量剝離；最終墩柱下部破壞區域混凝土壓潰，保護層大量剝落，鋼筋外露，縱向鋼筋發生彎曲甚至發生突然的失穩破壞。

四、結束語

橋墩的抗震能力關系到橋梁安全與震后交通系統的暢通，箱型墩柱在地震作用下易發生彎曲破壞，同時剪切作用也不可忽視。其破壞過程伴隨裂縫產生、混凝土壓潰、鋼筋屈曲等現象，嚴重危害橋墩安全。一般情況下箱型橋墩抗震的薄弱環節出現在墩底，通常首先在箱型墩柱的下部受拉區出現水平裂縫，當裂縫延伸至空心區域后發展成剪切斜裂縫，在循環荷載作用下，斜裂縫互相交織成網狀。裂縫的產生和發展最終導致墩柱破壞甚至失穩，失去原有功能。此外，許多橋梁處于易腐蝕的環境中，產生的裂縫將嚴重影響橋梁的耐久性。因此，在采取措施增加箱型墩柱抗彎抗剪承載能力的同時也應該采取適當措施區限制裂縫的產生和擴展。

[1] 孫治國. 鋼筋混凝土橋墩抗震變形能力研究[D]. 哈爾濱:中國地震局工程力學研究所, 2012.

[2] 夏樟華. 鋼筋混凝土箱型墩抗震性能研究[D]. 福州:福州大學, 2013.

[3] 韓強, 周雨龍, 杜俢力. 鋼筋混凝土矩形空心橋墩抗震性能[J]. 工程力學, 2015, 32(3):28-40.

[4] 杜修力, 韓強, 李獻忠, 等. 5.12汶川地震中山區公路橋梁震害及啟示[J]. 北京工業大學學報, 2008,34(12):1270-1279.

[5] 方志,王飛, 殷新鋒, 等. 鋼筋混凝土箱型柱抗震性能的試驗研究[J]. 工業建筑, 2012, 42(3):12-19.