钢筋混凝土桥墩抗震变形能力研究

孙治国

(中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080)

国内外近期发生的破坏性地震如1989年美国Loma Prieta地震、1994年美国Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年我国台湾ChiChi地震和2008年我国汶川大地震，均对桥墩造成了严重震害。开展钢筋混凝土桥墩抗震问题的研究，对保证桥梁结构抗震安全和交通生命线的畅通，具有十分重要的意义。确保桥墩在大震下具有良好的延性和耗能能力，是实现桥梁结构基于位移/性能抗震设计的重要前提。

本文基于大量试验结果的分析，结合拟静力试验和数值模拟手段，对采用普通和高强钢筋混凝土材料的实心和空心钢筋混凝土桥墩地震变形能力进行了若干研究，具体包括桥墩延性变形能力及位移相关塑性铰区约束箍筋用量、普通及高强钢筋混凝土墩柱等效塑性铰长度、薄壁空心墩抗震拟静力试验、空心墩变形能力和桥墩弯剪数值分析模型等。主要工作和认识如下：

(1) 为研究钢筋混凝土桥墩的延性变形能力和配箍要求，收集整理了国内外进行的234根实心桥墩的抗震拟静力试验数据，基于试验结果对现有桥梁抗震规范对保证桥墩变形能力的可靠性进行了评价，通过回归分析建立了弯曲破坏桥墩变形能力的表达式；并以2%和3%极限位移角为设计目标，提出了适用于普通及高强钢筋混凝土桥墩的位移相关塑性铰区约束箍筋用量计算公式，并进行了验证。

(2) 为评价高强钢筋和混凝土材料的应用对桥墩等效塑性铰长度的影响，收集整理了国内外进行的108根普通及高强钢筋混凝土墩柱等效塑性铰长度试验结果，评价了国内外主要桥梁抗震规范中等效塑性铰长度计算公式的可靠性。通过回归分析讨论了影响墩柱等效塑性铰长度的主要因素并提出了新的表达公式。认为钢筋混凝土墩柱等效塑性铰长度主要与试件高度、加载方向截面宽度和纵筋直径有关。

(3) 总结了我国大型桥梁工程中空心桥墩的应用情况，设计了2个矩形薄壁空心墩试件并分别进行了定轴力和变轴力下的抗震拟静力试验。对比分析了试件的破坏过程和最终破坏形态、裂缝宽度、残余位移和抗剪强度等。发现试件倒塌前表现出明显的弯―剪破坏特征，包括弯曲与剪切开裂、混凝土压碎破坏、纵筋屈曲等。由于损伤的逐步累积，试件变形超过2%位移角后，由于薄壁的失稳而引起了突然的倒塌，且变轴力下试件的倒塌破坏更为剧烈。

(4) 在总结国内外进行的空心墩抗震试验结果的基础上，分析了弯曲、弯剪和剪切破坏形态下空心墩的变形能力和主要影响因素，认为矩形空心墩变形能力主要与塑性铰区配箍、纵筋配筋、壁厚和轴压比等因素有关，随箍筋、纵筋配筋和壁厚增加而增加，随轴压比增加而减少。讨论了现有规范对保证空心墩变形能力的可靠性。最后基于Caltrans规范给出了不同极限位移角下空心墩塑性铰区约束箍筋用量设计公式。

(5) 基于纤维模型和修正的压力场理论(The Modified Compression Field Theory,MCFT)建立了钢筋混凝土桥墩的弯剪数值分析模型，模型中以纤维模型模拟结构的弯曲变形成分和剪切力的极限荷载，以MCFT理论计算桥墩的剪切变形，两者耦合共同考虑桥墩的弯剪作用。最终通过与6个弯剪破坏圆形截面桥墩拟静力试验结果的对比，验证了模型的准确性。