国内外不同规范钢筋混凝土墩柱塑性铰区抗剪承载力计算分析

马 颖，李梦蝶，吴泽斌

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045)

据统计，中国的事故桥梁平均寿命只有23.8年,远远不满足国家标准 “小型桥梁设计使用寿命30年，中型桥梁设计使用寿命50年，大型桥梁设计使用寿命100年”的要求。目前，我国公路桥梁的发展具有桥梁数量大、危桥多、实际使用寿命短等特点[1]。地震破坏是公路桥梁损伤的主要原因之一[2-3]。墩柱作为桥梁等结构的主要竖向承重构件，承载着整个结构的全部竖向荷载和由地震引起的水平荷载。因此，墩柱的设计安全在规范使用中显得尤为重要。

在地震作用下，墩柱通常会发生以下三种破坏方式：弯曲破坏(F)、弯剪破坏(FS)和剪切破坏(S)[4]。RC墩柱的地震失效模式的识别可以参考文献[5-6]。其中，墩柱的弯剪破坏介于弯曲破坏和剪切破坏之间，属于有限延性破坏。墩柱中纵向钢筋首先屈服形成塑性铰，随后承载力随着变形的增大逐渐下降，当抗剪需求大于剩余抗剪承载力时，发生弯剪破坏，设计中也要尽量避免。因此，准确计算RC柱的抗剪承载力，对于工程结构的抗震设计和安全性评估具有重要意义。

近年来一些学者通过对比中外桥梁规范，对RC构件的抗剪承载力进行了研究。Tong等[7]按《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)和《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2018)对RC剪力墙抗剪承载力的可靠度进行了比较。结果表明，后者的可靠性指标比前者提高了5.88%～8.02%。李艳艳等[8]通过RC梁对中(《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)，简称“02规范”)、美、欧等设计规范抗剪承载力公式研究发现，欧洲公式最为稳健，我国规范公式相对安全水平最低。魏惠等[9]对中(《轻骨料混凝土结构技术规程》(JGJ 12—2006))、美、欧、英规范对轻骨料混凝土梁抗剪承载力计算对比表明：采用我国规范对高强轻骨料混凝土梁抗剪能力进行计算设计时，应对混凝土项做进一步折减。袁健等[10]基于集中荷载与均布荷载作用下矩形截面无腹筋简支梁抗剪试验数据对《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010，2015版)进行分析发现，对于集中荷载作用下截面有效高度大于600 mm或纵筋配筋率小于1.5%的独立梁以及截面尺寸和跨高比都较大的一般受弯构件，规范计算公式的预测值均明显偏高。石程程等[11]以国内外不同规范对弯剪破坏矩形截面墩柱塑性铰区受剪承载力进行对比计算发现，轴压比在0.1～0.3之间的弯剪破坏墩柱，规范可基本满足承载力要求，而轴压比小于0.1或大于0.3的弯剪破坏墩柱，在抗震设计时应予注意。综上可知，大多有关抗剪承载力的分析计算都是在RC梁或其他类型的构件的基础上进行的，较少关注RC墩柱的抗剪承载力计算，且由于各构件抗剪承载力的研究多选用混凝土设计规范，故本文选取了两个中国公路桥梁规范与其他国家桥梁规范对比。

以弯剪破坏RC墩柱为研究对象，借助美国PEER试验数据库中弯剪破坏RC墩柱的拟静力试验数据(矩形截面19根，圆形截面19根)，通过计算分析，将《公路桥梁抗震设计细则》[12](JTG/T B02—01—2008)(简称“08细则”)、美国ATC规范[13]、新西兰桥梁标准[14]、日本桥梁规范[15]、欧洲CEN规范[16]以及中国《公路桥梁抗震设计规范》[17](JTG/T 2231—01—2020)(简称“20规范”)进行对比，评价这些规范对保证弯剪破坏RC墩柱塑性铰区抗剪承载力的可靠性。

1 国内外规范抗剪承载力公式

当前，RC墩柱的抗剪承载力Vu通常采用下式进行计算：

Vu=Vsv+Vc+Vp

(1)

式中：Vc表示混凝土的抗剪承载力；Vsv表示横向钢筋(箍筋)的抗剪承载力；Vp表示轴向压力产生的抗剪承载力。

1.1 各规范抗剪承载力计算公式

各规范塑性铰区的抗剪承载力计算模型如表1所示。美国ATC规范、新西兰桥梁标准、欧洲规范和中国“20规范”的抗剪承载力公式均区分矩形截面和圆形截面，我国“08细则”的抗剪承载力公式只考虑矩形截面构件，不考虑圆形截面构件。在计算圆形截面构件的抗剪承载力时，需要换算(b=1.76r，h0=1.6r，其中:b为截面宽度，h0为截面有效高度，r为圆形截面半径)。由于选取的试件为RC墩柱，因此只考虑受压试件，不考虑受拉试件。

表1 各规范塑性铰区的抗剪承载力模型

1.2 各规范抗剪承载力计算公式影响因素

各规范抗剪承载力计算模型所考虑的影响因素如表2所示，各规范都考虑到截面尺寸、箍筋面积和混凝土强度的影响，除中国“08细则”外均额外考虑轴向应力。对于箍筋强度的影响，欧洲、美国、新西兰规范均考虑箍筋屈服强度，日本与中国“20规范”则考虑箍筋抗拉强度；对于混凝土强度的影响，中国“16规范”与“20规范”考虑混凝土轴心抗压强度，除此以外均考虑混凝土圆柱体抗压强度，其中欧洲规范额外考虑混凝土轴心抗压强度，日本规范与中国“20规范”都额外考虑混凝土抗剪强度。在以上影响因素以外，美国规范额外考虑边界条件系数、裂缝倾角、纵筋配筋率以及箍筋配筋率；新西兰规范额外考虑轴压比；日本桥梁规范额外考虑纵筋配筋率、构件系数以及钢筋角度；中国“20规范”考虑墩柱构件位移延性系数以及抗剪强度折减系数；中国“16规范”则考虑承载力抗震调整系数(即剪跨比)以及轴压比。

表2 各规范抗剪承载力模型考虑的影响因素

2 试验数据

表3 矩形试件的基本参数及抗剪承载力试验值

表4 圆形试件的基本参数及抗剪承载力试验值

拟静力试验又称低周反复荷载试验，是指对结构或结构构件施加多次往复循环作用的静力试验，可用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。PEER数据库中试件的拟静力试验数据包括其截面配筋、材料力学特性、力-位移滞回曲线等信息，并可由试件力-位移滞回曲线数据有效地识别出其对应的抗剪承载力，具体识别过程参考文献[19]。

3 分析与讨论

利用这六个桥梁规范的抗剪承载力计算公式对以上两组弯剪破坏RC墩柱试验数据进行计算，得到各规范的抗剪承载力计算结果，以各规范抗剪承载力计算公式的抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例评价各规范抗剪承载力计算公式的安全性。

3.1 各规范抗剪承载力计算结果

各规范抗剪承载力公式的计算值与试验值的比较，是为了验证各规范抗剪承载力计算公式能否保证试件的抗剪承载力安全需要，从而得到安全的抗剪承载力预测。鉴于此，分别计算矩形截面与圆形截面弯剪破坏RC墩柱的抗剪承载力，并根据抗剪承载力计算结果按计算值与试验值对各个试件进行区分，将计算值等于试验值作为区分界限(1∶1分界线)。当规范抗剪承载力公式计算值小于抗剪承载力试验值时(分界线以下)，表示该规范的抗剪承载力计算公式具有一定的保守性，即较为安全；当规范抗剪承载力公式计算值大于抗剪承载力试验值时(分界线以上)，表示在未达到规范要求的抗剪承载力时试件就已经发生破坏，即该规范的抗剪承载力计算公式较为危险。

由图1可以看出对于矩形截面的弯剪破坏RC墩柱:

(1)中国“20规范”与中国“08规范”的抗剪承载力计算值大部分都低于抗剪承载力试验值，表示这两个规范的抗剪承载力计算公式都偏于安全，最能够满足矩形截面RC墩柱的抗剪承载力安全需要。

(2)欧洲规范、日本规范的抗剪承载力计算值部分低于抗剪承载力试验值，说明其部分不能满足矩形截面RC墩柱的抗剪承载力安全需要。

(3)美国规范和新西兰规范的抗剪承载力计算值大部分都高于抗剪承载力试验值，表示这两个规范的抗剪承载力计算公式都偏于危险，不能够满足矩形截面RC墩柱的抗剪承载力安全需要。

对于圆形截面的弯剪破坏RC墩柱，六个规范的抗剪承载力计算值大部分都低于抗剪承载力试验值，表示六个规范的抗剪承载力计算公式都偏于安全，都能够满足圆形截面RC墩柱的抗剪承载力安全需要。

3.2 各规范抗剪承载力的具体说明

为进一步对六个规范抗剪承载力公式进行安全性评估，将图1中各规范安全区域(抗剪承载力计算值低于抗剪承载力试验值，即1∶1分界线以下)和非安全区域(抗剪承载力计算值高于抗剪承载力试验值，即1∶1分界线以上)的RC墩柱试件个数进行统计，得到各规范的抗剪承载力计算公式对于两种截面弯剪破坏RC墩柱的抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例。

图1 弯剪破坏墩柱试件抗剪承载力试验值与各规范模型计算值比较

如图2所示，对于矩形截面RC墩柱试件，中国“08细则”抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例最高，为89.47%，中国“20规范”抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为78.95%，欧洲规范抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为68.42%，日本桥梁规范抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为57.89%，新西兰桥梁标准抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为42.11%，美国ATC规范抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为36.84%；对于圆形截面RC墩柱试件，中国“08细则”、中国“20规范”、欧洲规范、美国ATC规范、新西兰桥梁标准以及日本桥梁规范抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例都是100%。总体上，这六个桥梁规范对于圆形截面RC墩柱试件抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为100%，对于矩形截面RC墩柱试件抗剪承载力计算公式所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例为62.28%。

图2 各规范对应所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例

由各规范所得抗剪承载力满足要求的试件占总试件的比例结果可得：

(1)对于矩形截面RC墩柱试件，中国“08细则”抗剪承载力计算公式偏于安全，中国“20规范”抗剪承载力计算公式略微安全，欧洲规范、日本桥梁规范抗剪承载力计算公式略微危险，新西兰桥梁标准、美国ATC规范抗剪承载力计算公式偏于危险。

(2)对于圆形截面RC墩柱试件，中国“08细则”、中国“20规范”、欧洲规范、美国ATC规范、新西兰桥梁标准以及日本桥梁规范抗剪承载力计算公式都偏于安全。

(3)总体上对于RC墩柱，当截面为圆形时，各国桥梁规范抗剪承载力计算公式都偏于安全，能够满足其抗剪承载力安全需要；当截面为矩形时，各国桥梁规范抗剪承载力计算公式均略微危险，不太能满足其抗剪承载力安全需要。

4 结 论

本文以弯剪破坏RC墩柱为研究对象，借助美国PEER试验数据库中发生弯剪破坏的19根矩形截面墩柱和19根圆形截面墩柱拟静力试验数据，对国内外各桥梁规范中抗剪承载力计算公式进行对比评价，得到结论如下：

对于矩形截面形式的弯剪破坏RC墩柱，中国“08细则”抗剪承载力计算公式偏于安全，而新西兰桥梁标准、美国ATC规范抗剪承载力计算公式偏于危险；对于圆形截面形式的弯剪破坏RC墩柱，中国“08细则”、中国“20规范”、欧洲规范、美国ATC规范、新西兰桥梁标准和日本桥梁规范抗剪承载力计算公式都偏于安全；总之，六个规范整体计算值更能满足圆形截面RC墩柱的实际抗剪承载力安全需求。