钢筋混凝土墩柱抗震变形能力研究进展及评述

孙 罡

上海友景建筑设计有限公司 上海 201499

钢筋混凝土墩柱（包括桥墩、框架柱等）是结构的主要竖向承重构件。根据桥梁工程抗震设计方法，一般要求强震下桥墩发生塑性变形以消耗地震能量，保证桩基础、盖梁等构件不发生破坏，因此桥墩抗震变形能力的大小成为桥梁延性抗震设计理论实现的基础[1]。

对钢筋混凝土框架结构而言，一般遵循“强柱弱梁”的抗震设计理念，要求地震下框架塑性变形及耗能能力发生在梁端，而柱具有足够的强度，地震下发生较少的损伤破坏。从这个意义上讲，一般情况下应保证框架梁具有良好的变形能力，确保框架柱具有良好的抗震变形能力是结构在大震下抗倒塌设计的关键。

影响钢筋混凝土墩柱抗震变形能力的因素众多，主要包括轴压比、箍筋配筋、纵筋配筋、剪跨比等。本文分别针对各个因素对墩柱抗震变形能力的影响进行讨论。

1 轴压比的影响

钢筋混凝土墩柱抗震变形能力随着轴压比的提高而显著降低。这主要是由于高轴压的存在会加快混凝土压碎和纵筋屈曲破坏的过程，并且高轴压引起的P-∆效应会显著增加墩底的弯矩，加剧混凝土和纵筋的破坏过程。

目前国内外主要的混凝土结构及桥梁抗震设计规范，如ACI318-08、AASHTO LRFD 2005及AASHTO 1996、Caltrans、Eurocode 8—1998、JTG/T B02-01—2008等均规定：为保证墩柱的延性抗震能力，墩柱塑性铰区配箍率随轴压比增加而增加。

2 箍筋配箍率和强度的影响

墩柱抗震变形能力随配箍率增加而增加，并且随箍筋屈服强度的增加而增加。这主要是因为，随配箍率和箍筋强度的增加，对墩柱核心混凝土的约束能力增加，并且延缓了纵筋屈曲破坏的过程，且增大了墩柱的塑性铰区抗剪强度。

2.5.2 引出论题，初步观察 针对茎中有怎样结构才能高效地运输水分，有学生马上想到了茎中可能有管状的结构。引出论题： 茎中有专门管道运输水分。接下来教师展示横切的茎的图片。询问学生对于这一猜测的看法。如果有专门管道，在茎的横切面上我们能看到什么？横切茎面上可能有小孔的想法跑到了学生的脑海中。然后让学生尝试直接肉眼观察寻找茎横切面上的小孔。教师继续追问： 单凭双眼看不到说明什么？这上面到底有没有小孔？部分学生摇头，有学生补充说这是因为个管道太细小了所以肉眼看不见。初步肉眼的观察肯定看不到导管，但能让学生进一步猜测导管很细小的特点，后面用显微镜观察横切的茎显得很有必要。

同样，ACI318-08、AASHTO LRFD 2005及AASHTO 1996、Caltrans、Eurocode 8—1998、JTG/T B02-01—2008等均规定：为保证墩柱的延性抗震能力，墩柱塑性铰区配箍率随箍筋强度增加而减少。

熊朝晖等[2]首先完成了8个方形截面钢筋混凝土柱构件的拟静力试验，在此基础上借助于美国太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER）柱抗震性能试验数据库，共收集了103根钢筋混凝土柱式构件的拟静力试验结果，通过回归分析，建立了如下联系墩柱极限位移角Ru和体积配箍率ρv的计算公式〔式（1）、式（2）〕：

王琳榕等[3]、肖岩等[4]的研究均表明，墩柱变形能力随配箍率和箍筋屈服强度的增加而增加，随轴压比增加而减少。

Erduran等[6]根据收集到的33根矩形截面钢筋混凝土墩柱试验结果，以位移延性系数为变形指标，回归了如下墩

3 纵筋配筋的影响

孙治国等[8]的研究表明，当以墩顶极限位移角为变形指标时，墩柱变形能力随配箍率增加而增加，随箍筋强度增加而增加，随轴压比增加而减少，随纵筋配筋率和屈服强度的增加而增加，随保护层厚度的增加而减少。

4 剪跨比的影响

根据等效塑性铰模型[9]，桥墩位移延性系数uΔ与墩底曲率延性系数uφ之间的关系为〔式（12）〕：

根据Priestley等[9]的研究，Lp约等于加载方向截面宽度的1/2，且不随试件高度L的变化而变化。并且，在其他参数不变的情况下，墩底曲率延性系数uφ保持恒定。因此，根据式（12），不难得出墩柱的位移延性系数随桥墩高度增加而降低的结论，并且Priestley等[9]完成的墩柱拟静力试验结果也证实，剪跨比为4.0的墩柱其位移延性系数略小于剪跨比为2.0的墩柱。

吴波等[10]根据收集到的新西兰、北美和日本完成的40根钢筋混凝土框架柱拟静力试验结果，通过回归分析，建立了如下极限位移角计算公式〔式（13）〕：

很明显，根据吴波等的研究，墩柱的变形能力随配箍量增加和箍筋屈服强度增加而增加，随剪跨比增加而增加，随轴压比增加而减少。

李吉等[11]等基于PEER数据库收集到的97根弯曲破坏钢筋混凝土柱试验结果，通过回归分析研究了柱变形能力与轴压比、纵筋配筋率、配箍率、剪跨比等的关系。分析方法采用了单因素线性回归。结果表明，墩柱极限位移角随轴压比增加而减少、随纵筋配筋率增加而增加、随配箍率增加而减少（这个结论很不正常）、随剪跨比增加而增加。需要说明，由于采用的单因素线性回归，各影响因素与极限位移角间未建立统一的回归公式，可能对分析结果有所影响。其中最大的问题是，李吉等[11]认为墩柱极限位移角随配箍率增加而减少，这与国内外的认识很不一致。

高菲等[12]收集了中国学者完成的80根弯曲破坏钢筋混凝土框架柱，通过回归分析分别建立了位移延性系数u∆、极限位移角Ru与柱剪跨比λ、轴压比ηk、配箍特征值λv之间的关系〔式（14）～式（16）〕：

可以发现，当以位移延性系数u∆为变形指标时，墩柱变形能力随剪跨比和轴压比增加而减少、随配箍量和箍筋强度增加而增加。

当以极限位移角Ru为变形指标时，墩柱变形能力随剪跨比和轴压比增加而增加，随配箍量和箍筋强度增加而增加。需要注意，变形能力Ru随轴压比ηk增加而增加的结论也与国内外的认识很不一致。

高菲等[12]还收集了108根美国钢筋混凝土柱试验结果，并建立了如下计算极限位移角Ru的计算公式〔式（17）〕：

式（16）和式（17）表明，墩柱变形能力随剪跨比和轴压比增加而减少，随配箍特征值增加而增加。

5 保护层厚度的影响

张国军等[13]根据收集到的108根高强混凝土柱拟静力试验结果，通过回归分析，分别建立了如下极限位移角Ru的计算公式〔式（18）、式（19）〕：

张国军等[13]的研究表明，墩柱变形能力随配箍特征值增加而增加，随轴压比增加而减少，随保护层厚度增加而减少。

孙治国等[14]收集整理了国内外完成的98个矩形截面高强箍筋高强混凝土柱拟静力试验数据，通过回归分析，当以极限位移角为变形指标时，建立了如下计算公式〔式（20）〕：

式（20）与式（10）在形式上一致，结论也一致，即墩柱变形能力随保护层厚度的增加而减少。

6 结语

综合以上研究可以看出，尽管不同学者所得出的结论略有差别，但均得出了相似的结论，即当以墩柱极限位移角作为变形能力衡量指标时，墩柱变形能力与以下各因素密切相关：

1）随体积配箍率增加和箍筋强度提高，墩柱变形能力增加。

2）随轴压比增加，墩柱变形能力减小。

3）随纵筋配筋率增加和纵筋强度提高，墩柱变形能力增加。

4）随保护层厚度增加，墩柱变形能力减小。

5）剪跨比对墩柱变形能力的影响尚不确定，由于各学者掌握的试验数据不同，结论各异。Priestley等[9]以位移延性系数作为衡量指标时，认为随剪跨比增加墩柱位移延性能力减少。吴波等认为随剪跨比增加而墩柱极限位移角增加；高菲等[12]分别以中国试验数据和美国试验数据进行分析，却得出了不同的结论。