復雜應力狀態下的鋼筋混凝土橋墩抗震性能研究

李永斌 馬克政 譚金華

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430052； 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

地震會對橋梁墩臺等結構造成極其不利的影響，一旦結構受損，還需耗費大量人力、物力進行維護修建。為此，國內外很早就開展了橋梁墩臺的抗震研究，并在結構設計中提出了提高橋梁抗震能力的措施。國內研究進度相對較為落后，但仍有部分學者進行了較為深入的研究，比如，對于RC(鋼筋混凝土)墩柱在震災中的壓彎、彎剪性能，同濟大學和北京工業大學均已完成了較多的研究工作，得到了一些合理的模型用來預測地震作用下的反應。但只有少數學者研究了扭轉效應對墩柱的影響。對彎、剪、扭復雜應力狀態下的綜合研究很少涉及[1-5]。計算機技術的發展使得精確分析橋墩復雜應力狀態的破壞過程及其影響因素成為可能，并應在此基礎上進一步深入研究橋墩抗震中的設計和加固技術，可以最大程度地發揮橋梁結構的抗震能力。

本文依托工程實例，通過建立橋墩三維有限元仿真模型，真實模擬地震發生時的可能荷載組合，考慮實際工作環境下相應的多維荷載，研究復雜應力狀態下橋墩的強度和位移，分析箍筋間距、主筋配筋率、軸壓比對抗震性能的影響，并據此給出改進橋墩抗震性能的建議。

1 建立橋墩有限元模型

本項目依托玉湛線高速公路工程，取玉湛線高速公路一工區K87+100.2疏港大道分離橋最高橋墩為原型建立橋墩抗震仿真模型。該橋位于VII度地震區，地震動峰值加速度為0.1g，橋涵上、下部均有抗震設計要求，橋墩主筋和箍筋的設置均需要滿足抗震驗算要求，并給出抗震設防措施。按照橋墩設計圖紙采用ANSYS建立橋墩蓋梁、柱的鋼筋混凝土三維實體模型。該模型按照設計圖紙上的資料，模擬出所有的鋼筋，包括主筋、箍筋和螺旋鋼筋等，共16 564根鋼筋的link8單元和數萬混凝土實體單元Solid92，所有鋼筋均嚴格按照設計圖紙中不同的截面特性分別進行了定義，鋼筋單元和混凝土實體單元間采用面接觸完成黏結，仿真模型見圖1。

圖1 橋墩三維仿真模型

試驗同時按照實際工作環境模擬多種組合荷載作用，包括上部結構恒載、活載，以及雙向地震荷載，其中地震荷載是通過加速度反應譜將地震慣性力處理成等效水平及豎向地震荷載，與其它荷載按照完全二次方程法進行組合時程加載。支座按照實際簡支梁橋墩設計中的較為不利的固定支座考慮，地震波采用EL-Centro波加速度時程曲線，見圖2。

圖2 EL-Centro波加速度時程曲線

2 橋墩抗震性能分析

橋墩抗震性能具體的影響因素可能有：截面形式、軸壓比、箍筋體積配箍率、混凝士強度、保護層厚度、主筋配筋率及橫系梁等[6]。本節應用建立的模型分析驗算原設計橋墩的地震作用效應，并調整所建立的模型的對應值比較分析結果，分別研究各主要參數對RC橋墩抗震性能和延性水平的影響，主要采用控制變量法對軸壓比、配箍率、主筋配筋率的影響進行研究。

2.1 抗剪強度和墩頂位移

橋墩結構的抗震性能指標主要通過橋梁墩頂位移和結構延性指標來表示,可采用混凝土橋墩截面強度或應變來進行定量分析。如果地震中結構強度因其塑性變形的發生而急劇減小，則該結構將會產生嚴重的損壞或倒塌，受壓側混凝土將經歷“抗壓屈服、混凝土剝落、混凝土壓碎”過程。因而在地震組合荷載作用下墩柱的抗震設計驗算需要考慮強度驗算和墩頂位移驗算。

2.1.1抗剪強度驗算

塑性鉸區抗剪能力的驗算，如果橋墩結構還未進入塑性工作范圍，此時橋墩的剪力設計值可直接采用E2地震作用下的計算結果；如果已進入塑性工作范圍，則應按下述規定進行剪力設計值的計算[7]。

延性橋墩順橋向的剪力設計值，計算方法見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

延性橋墩橫橋向的剪力設計值，計算方法見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

2.1.2墩頂位移驗算

按照JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》[8]中6.1.6條規定，E2級地震作用時其有效截面抗彎剛度需按規范規定進行修正；采用計算得到的截面有效剛度計算E2地震作用反應譜下的墩頂位移δ；按照抗震細則中6.7.6條規定修正墩頂位移，獲得修正后的墩頂位移。

經過橋梁有限元模擬分析，在上部結構所有荷載、自重和E2地震作用(彈性)組合荷載作用下，該橋梁結構的橋墩應力Sy計算結果見圖3。

圖3 地震組合荷載工況下橋墩應力Sy(單位：Pa)

如圖3所示橋墩應力均滿足強度要求。計算得到同荷載作用下的橋墩最大位移值為0.016 m，滿足位移要求。

2.2 箍筋間距影響

為研究箍筋間距對RC橋墩抗變形能力的影響，通過更改模型的箍筋間距，建立3種不同箍筋加密程度的RC橋墩有限元墩柱模型。在保證這3種RC墩柱模型的截面面積和形式、軸壓比、混凝土強度、保護層厚度和縱筋配筋率等均相同的情況下，對比這3種不同箍筋加密的RC橋墩的抗變形能力。3種模型箍筋間距較原設計模型變化率分別為0.2，0.4，0.6，在此前提下分別獲得結構在地震組合荷載作用下的各向應力狀態和變形。圖4為以箍筋間距變化率0.2時的Z向應力。

圖4 間距變化率為0.2時的Z向應力云圖(單位：Pa)

當箍筋間距變化率為0.2時，加載地震荷載后Z軸方向最大拉應力出現在墩柱頂部和橋墩底部，為28 299.4 Pa；最大壓應力出現在墩柱底部，數值為-179 205 Pa。墩柱從Y軸正向一側到負向一側應力由壓變拉；最大變形位移出現在墩柱頂部，數值為0.166 mm。同理獲得0.4，0.6的對應數據，得到的部分成果見表1。

表1 箍筋間距變化時橋墩地震組合荷載反應

由圖4和表1分析可得：不同的箍筋間距對橋墩的受力狀態無太大的影響，Y軸最大受拉應力和最大受壓應力均集中橋墩底部。增大箍筋間距后墩頂最大變形位移略有減小，對屈服位移影響不大。所以箍筋間距越大，位移延性系數會降低，表明RC橋墩的延性水平會隨著箍筋間距的增加而降低。

2.3 主筋配筋率的影響

通過改變配筋率，建立4種不同縱筋配筋率的鋼筋混凝土橋墩有限元墩柱模型。在保證4種RC墩柱模型的墩頂荷載、箍筋間距、截面面積和形式、軸壓比、混凝土等級,以及保護層厚度等均相同的情況下，對比4種不同縱筋配筋率RC橋墩的抗變形能力。4種模型具體配筋率參數為:配筋率折減原配筋0.2；配筋率增加原配筋0.2；配筋率增加原配筋0.4；配筋率增加原配筋0.6，分別獲得結構在地震組合荷載作用下的各向應力狀態和變形。圖5為以箍筋配筋率變化-0.2時的z向應力，表2為箍筋配箍率變化時橋墩地震組合荷載效應。

圖5 箍筋配筋率變化-0.2時的Z向應力云圖(單位：Pa)

表2 箍筋配箍率變化時橋墩地震組合荷載效應

由以上的分析結果可知:增大縱筋配筋率，對橋墩加載地震荷載后應力分布和大小均影響不大。橋墩的縱筋配筋率越高，其屈服位移會增大，而墩頂最大位移基本無變化，所以其位移延性系數越小，這說明增大鋼筋混凝土橋墩的縱筋配筋率橋墩的延性性能會降低。

同理，對軸壓比也采用了控制參數法分別建模進行分析地震組合荷載作用下橋墩的復雜應力狀態，比較分析了3組不同墩頂軸壓荷載，計算結果綜合見表3。

表3 軸壓變化時橋墩地震組合荷載效應

從表3計算結果可知：橋墩底部的最大受拉應力和最大受壓應力均會隨著軸壓比的增大而增大，而橋墩的最大位移會隨著軸壓比的增大而略有減小。故增大軸壓比會導致橋墩延性略微下降，破壞時脆性增加，應予以避免。

3 結語

本文以實際工程中的橋墩為原型，基于APDL語言建立橋墩抗震仿真模型，在考慮多向地震組合荷載作用下研究橋墩的壓、彎、剪、扭復雜應力響應，并通過非線性地震時程反應分析,對比橋墩墩頂位移反應及彎曲延性程度,進一步采用參數控制法建立多個模型研究了箍筋間距、主筋配筋率、軸壓比對抗震強度的影響，進而研究鋼筋混凝土橋墩的破壞機理、影響因素和有效的抗震措施。

主要研究結論包括：適當增加墩底抗剪區的箍筋配筋率或減小配筋間距均可有效增大墩底抗震關鍵段的抗剪強度；在近地面2 m高度范圍內增加螺旋箍筋的配筋率可有效增加易損段的彎曲延性，可達到減少震損和降低后期維護成本的目的；主縱筋的增加會減小橋墩的彎曲延性，在橋墩的延性抗震措施中不建議考慮。