鋼筋混凝土墩柱抗震變形能力研究進展及評述

孫 罡

上海友景建筑設計有限公司 上海 201499

鋼筋混凝土墩柱（包括橋墩、框架柱等）是結構的主要豎向承重構件。根據(jù)橋梁工程抗震設計方法，一般要求強震下橋墩發(fā)生塑性變形以消耗地震能量，保證樁基礎、蓋梁等構件不發(fā)生破壞，因此橋墩抗震變形能力的大小成為橋梁延性抗震設計理論實現(xiàn)的基礎[1]。

對鋼筋混凝土框架結構而言，一般遵循“強柱弱梁”的抗震設計理念，要求地震下框架塑性變形及耗能能力發(fā)生在梁端，而柱具有足夠的強度，地震下發(fā)生較少的損傷破壞。從這個意義上講，一般情況下應保證框架梁具有良好的變形能力，確?？蚣苤哂辛己玫目拐鹱冃文芰κ墙Y構在大震下抗倒塌設計的關鍵。

影響鋼筋混凝土墩柱抗震變形能力的因素眾多，主要包括軸壓比、箍筋配筋、縱筋配筋、剪跨比等。本文分別針對各個因素對墩柱抗震變形能力的影響進行討論。

1 軸壓比的影響

鋼筋混凝土墩柱抗震變形能力隨著軸壓比的提高而顯著降低。這主要是由于高軸壓的存在會加快混凝土壓碎和縱筋屈曲破壞的過程，并且高軸壓引起的P-?效應會顯著增加墩底的彎矩，加劇混凝土和縱筋的破壞過程。

目前國內(nèi)外主要的混凝土結構及橋梁抗震設計規(guī)范，如ACI318-08、AASHTO LRFD 2005及AASHTO 1996、Caltrans、Eurocode 8—1998、JTG/T B02-01—2008等均規(guī)定：為保證墩柱的延性抗震能力，墩柱塑性鉸區(qū)配箍率隨軸壓比增加而增加。

2 箍筋配箍率和強度的影響

墩柱抗震變形能力隨配箍率增加而增加，并且隨箍筋屈服強度的增加而增加。這主要是因為，隨配箍率和箍筋強度的增加，對墩柱核心混凝土的約束能力增加，并且延緩了縱筋屈曲破壞的過程，且增大了墩柱的塑性鉸區(qū)抗剪強度。

2.5.2 引出論題，初步觀察 針對莖中有怎樣結構才能高效地運輸水分，有學生馬上想到了莖中可能有管狀的結構。引出論題： 莖中有專門管道運輸水分。接下來教師展示橫切的莖的圖片。詢問學生對于這一猜測的看法。如果有專門管道，在莖的橫切面上我們能看到什么？橫切莖面上可能有小孔的想法跑到了學生的腦海中。然后讓學生嘗試直接肉眼觀察尋找莖橫切面上的小孔。教師繼續(xù)追問： 單憑雙眼看不到說明什么？這上面到底有沒有小孔？部分學生搖頭，有學生補充說這是因為個管道太細小了所以肉眼看不見。初步肉眼的觀察肯定看不到導管，但能讓學生進一步猜測導管很細小的特點，后面用顯微鏡觀察橫切的莖顯得很有必要。

同樣，ACI318-08、AASHTO LRFD 2005及AASHTO 1996、Caltrans、Eurocode 8—1998、JTG/T B02-01—2008等均規(guī)定：為保證墩柱的延性抗震能力，墩柱塑性鉸區(qū)配箍率隨箍筋強度增加而減少。

熊朝暉等[2]首先完成了8個方形截面鋼筋混凝土柱構件的擬靜力試驗，在此基礎上借助于美國太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER）柱抗震性能試驗數(shù)據(jù)庫，共收集了103根鋼筋混凝土柱式構件的擬靜力試驗結果，通過回歸分析，建立了如下聯(lián)系墩柱極限位移角Ru和體積配箍率ρv的計算公式〔式（1）、式（2）〕：

王琳榕等[3]、肖巖等[4]的研究均表明，墩柱變形能力隨配箍率和箍筋屈服強度的增加而增加，隨軸壓比增加而減少。

Erduran等[6]根據(jù)收集到的33根矩形截面鋼筋混凝土墩柱試驗結果，以位移延性系數(shù)為變形指標，回歸了如下墩

3 縱筋配筋的影響

孫治國等[8]的研究表明，當以墩頂極限位移角為變形指標時，墩柱變形能力隨配箍率增加而增加，隨箍筋強度增加而增加，隨軸壓比增加而減少，隨縱筋配筋率和屈服強度的增加而增加，隨保護層厚度的增加而減少。

4 剪跨比的影響

根據(jù)等效塑性鉸模型[9]，橋墩位移延性系數(shù)uΔ與墩底曲率延性系數(shù)uφ之間的關系為〔式（12）〕：

根據(jù)Priestley等[9]的研究，Lp約等于加載方向截面寬度的1/2，且不隨試件高度L的變化而變化。并且，在其他參數(shù)不變的情況下，墩底曲率延性系數(shù)uφ保持恒定。因此，根據(jù)式（12），不難得出墩柱的位移延性系數(shù)隨橋墩高度增加而降低的結論，并且Priestley等[9]完成的墩柱擬靜力試驗結果也證實，剪跨比為4.0的墩柱其位移延性系數(shù)略小于剪跨比為2.0的墩柱。

吳波等[10]根據(jù)收集到的新西蘭、北美和日本完成的40根鋼筋混凝土框架柱擬靜力試驗結果，通過回歸分析，建立了如下極限位移角計算公式〔式（13）〕：

很明顯，根據(jù)吳波等的研究，墩柱的變形能力隨配箍量增加和箍筋屈服強度增加而增加，隨剪跨比增加而增加，隨軸壓比增加而減少。

李吉等[11]等基于PEER數(shù)據(jù)庫收集到的97根彎曲破壞鋼筋混凝土柱試驗結果，通過回歸分析研究了柱變形能力與軸壓比、縱筋配筋率、配箍率、剪跨比等的關系。分析方法采用了單因素線性回歸。結果表明，墩柱極限位移角隨軸壓比增加而減少、隨縱筋配筋率增加而增加、隨配箍率增加而減少（這個結論很不正常）、隨剪跨比增加而增加。需要說明，由于采用的單因素線性回歸，各影響因素與極限位移角間未建立統(tǒng)一的回歸公式，可能對分析結果有所影響。其中最大的問題是，李吉等[11]認為墩柱極限位移角隨配箍率增加而減少，這與國內(nèi)外的認識很不一致。

高菲等[12]收集了中國學者完成的80根彎曲破壞鋼筋混凝土框架柱，通過回歸分析分別建立了位移延性系數(shù)u?、極限位移角Ru與柱剪跨比λ、軸壓比ηk、配箍特征值λv之間的關系〔式（14）～式（16）〕：

可以發(fā)現(xiàn)，當以位移延性系數(shù)u?為變形指標時，墩柱變形能力隨剪跨比和軸壓比增加而減少、隨配箍量和箍筋強度增加而增加。

當以極限位移角Ru為變形指標時，墩柱變形能力隨剪跨比和軸壓比增加而增加，隨配箍量和箍筋強度增加而增加。需要注意，變形能力Ru隨軸壓比ηk增加而增加的結論也與國內(nèi)外的認識很不一致。

高菲等[12]還收集了108根美國鋼筋混凝土柱試驗結果，并建立了如下計算極限位移角Ru的計算公式〔式（17）〕：

式（16）和式（17）表明，墩柱變形能力隨剪跨比和軸壓比增加而減少，隨配箍特征值增加而增加。

5 保護層厚度的影響

張國軍等[13]根據(jù)收集到的108根高強混凝土柱擬靜力試驗結果，通過回歸分析，分別建立了如下極限位移角Ru的計算公式〔式（18）、式（19）〕：

張國軍等[13]的研究表明，墩柱變形能力隨配箍特征值增加而增加，隨軸壓比增加而減少，隨保護層厚度增加而減少。

孫治國等[14]收集整理了國內(nèi)外完成的98個矩形截面高強箍筋高強混凝土柱擬靜力試驗數(shù)據(jù)，通過回歸分析，當以極限位移角為變形指標時，建立了如下計算公式〔式（20）〕：

式（20）與式（10）在形式上一致，結論也一致，即墩柱變形能力隨保護層厚度的增加而減少。

6 結語

綜合以上研究可以看出，盡管不同學者所得出的結論略有差別，但均得出了相似的結論，即當以墩柱極限位移角作為變形能力衡量指標時，墩柱變形能力與以下各因素密切相關：

1）隨體積配箍率增加和箍筋強度提高，墩柱變形能力增加。

2）隨軸壓比增加，墩柱變形能力減小。

3）隨縱筋配筋率增加和縱筋強度提高，墩柱變形能力增加。

4）隨保護層厚度增加，墩柱變形能力減小。

5）剪跨比對墩柱變形能力的影響尚不確定，由于各學者掌握的試驗數(shù)據(jù)不同，結論各異。Priestley等[9]以位移延性系數(shù)作為衡量指標時，認為隨剪跨比增加墩柱位移延性能力減少。吳波等認為隨剪跨比增加而墩柱極限位移角增加；高菲等[12]分別以中國試驗數(shù)據(jù)和美國試驗數(shù)據(jù)進行分析，卻得出了不同的結論。