铁路重力式桥墩墩底局部加密纵筋高度研究

丁明波,鲁锦华,陈兴冲,马华军,张熙胤

(兰州交通大学,甘肃 兰州 730070)

0 引言

桥墩是桥梁系统中非常重要的构件,在地震作用下容易受损,而一旦受损严重将导致线路中断,因此确保桥墩在地震中的抗震性能对桥梁的安全尤为重要。在已有震害[1-3]中发现弯曲破坏型桥墩的破坏部位主要集中在墩底,墩底以上部位基本未见破坏(图1)。

图1 地震作用下桥墩震害图Fig.1 Seismic damage diagram of bridge piers under earthquake action

自从20世纪60年代起,各国对桥墩的抗震性能进行了大量的试验研究和理论研究[4-8],发现影响桥墩抗震性能的主要因素有:配筋率、配箍率、轴压比、剪跨比等。对于铁路重力式桥墩,文献[7-9]中研究了不同参数对桥墩抗震性能的影响,发现配筋率对铁路重力式桥墩的抗震性能影响比较明显。针对弯曲破坏型桥墩在地震中的破坏特征及配筋率对铁路重力式桥墩抗震性能的影响,作者提出了在墩底局部加密纵向钢筋的设计方法[10],并通过拟静力试验验证了在墩底局部加密纵向钢筋可以有效提高桥墩的水平承载力。课题组成员采用振动台试验也验证了仅在墩底加密纵向钢筋提高桥墩抵抗地震的能力[11-12]。

前期通过试验验证了该方法的可行性,但是对加密钢筋高度的确定方法及确定原则未进行研究。若钢筋加密高度不足,会使破坏面发生转移而起不到提高桥墩抗震性能的作用。因此,本文通过理论分析提出铁路重力式桥墩加密钢筋高度的确定原则及确定方法,并通过数值分析验证其可行性,以期为设计人员使用时提供有价值的参考依据。

1 加密纵筋高度的确定

在墩身底部增加纵向钢筋的数量之后,会使墩身未加密部位的截面配筋率小于加密部位的截面配筋率,若加密纵筋的高度不足,桥墩可能会在纵筋加密与未加密相交处先发生破坏,使破坏部位转移,致使加密部位的墩身在地震作用下无法发挥作用。为了避免该类情况的发生,加密纵筋的高度要能确保桥墩的加密部位墩身先于未加密部位墩身屈服,另外加密纵筋高度不应低于现有规范规定的等效塑性铰长度[13],根据上述两种情况确定加密纵筋的高度。

(1) 桥墩屈服部位不发生转移时加密纵筋高度计算

为确保桥墩屈服位置仍在墩底,则需满足未加密部位的屈服弯矩My2大于等于加密部位墩底屈服时的墩顶水平力在加密与未加密处产生的弯矩M2,即:My2≥M2,屈服位置弯矩如图2所示。

图2 桥墩屈服位置示意图Fig.2 Schematic diagram of yield position of piers

在竖向力和水平推力共同作用下,桥墩屈服时对应的屈服弯矩计算见式(1)。

My=F×H

(1)

假定墩身底部先发生屈服,则可得:

My1=F×H

(2)

由式(2)可得墩身底部发生屈服时,墩顶水平推力F:

(3)

由式(3)得到的墩顶水平推力可计算出未加密部位墩身底部位置处的弯矩M2:

M2=F×(H-L)

(4)

将式(3)代入式(4)整理可得:

(5)

墩底截面屈服时计算得到加密与未加密处截面弯矩M2应不大于该截面的屈服弯矩My2,则可得:

(6)

整理可得桥墩加密纵向钢筋的高度L为:

(7)

式中:My1、My2分别为墩底及未加密处屈服弯矩(kN·m);M2为墩身底部达到屈服时未加密处实际弯矩(kN·m)。

为确保桥墩的屈服位置不发生转移,加密纵向钢筋的高度不应小于式(7)计算所得值,且截面屈服弯矩及屈服曲率计算依据截面弯矩-曲率分析即可求得。

(2) 等效塑性铰长度

现有规范[6]规定LP的计算方法如式(8)所示,取二者计算结果的最小值。

(8)

式中:H为墩高;b为矩形截面桥墩的短边或者圆形截面桥墩的直径;ds为纵筋直径;fy为纵向钢筋抗拉强度标准值。

为了保证破坏面不发生转移,最终取二者计算值中最大值为加密纵筋的高度。同时考虑到桥墩实际施工质量等问题,应取一定的安全系数。根据现有的研究结果[10-11],取1.5倍的安全系数。

2 数值分析验证

2.1 试件设计

为了验证加密纵筋高度的计算公式合理性,设计了5个不同纵筋布置形式的桥墩。桥墩墩高125 cm,截面尺寸为36 cm×25 cm,轴压比均为4%,纵筋为直径8 mm,强度为HRB400级,箍筋为直径6 mm,强度为HPB300级。桥墩设计参数列于表1。具体尺寸及配筋构造如图3所示。选用ANSYS软件建立实体模型对其进行模拟分析,混凝土选用SOLID65单元,钢筋选用LINK180单元。材料本构及参数取值按文献[9]中规定选取,混凝土本构选用Mander本构模型[14],破坏准则采用的是William-Warnke五参数准则;钢筋本构选用可以反映钢筋包辛格效应的多线性随动强化模型(KINH),屈服准则和强化准则分别选用ANSYS中提供的Von.Mises准则和BKIN准则,并考虑钢筋与混凝土之间的黏结-滑移关系,选用理想弹塑性黏结-滑移本构模型[15]。

图3 桥墩尺寸及配筋构造(单位:cm)Fig.3 Pier size and reinforcement construction (Unit:cm)

表1 桥墩设计参数Table 1 Design parameters of piers

2.2 滞回曲线

分析得到不同配筋类型桥墩的滞回曲线,如图4所示。从图4(a)和(b)中可以看出,在墩底加密纵向钢筋桥墩的承载能力有明显的提高,滞回环面积随加密钢筋数量的增多不断增大,说明桥墩可以消耗的地震能量越多。相同加载位移下,桥墩底部加密钢筋的数量越多,墩顶的水平荷载越大,根据刚度的定义,说明加密钢筋越多的桥墩,刚度越大。因此,仅在墩底局部加密纵向钢筋可以有效提高的桥墩的抗震性能。从图4(c)和(d)中发现,仅在墩底加密纵向钢筋的M2和M4桥墩与全截面配筋率相同的M3和M5桥墩相比,滞回曲线形状“捏缩”效应略微明显,可能的原因是墩底局部加密钢筋桥墩由于加密钢筋高度小导致钢筋与混凝土之间的黏结滑移力小。根据图4中桥墩的滞回曲线对比分析,说明仅在墩底加密纵向钢筋可以有效提高桥墩的抗震性能,且基本能达到与加密处配筋率相同的桥墩的抗震性能,验证了所提出的加密纵筋高度确定原则的合理性,及按该计算公式设计铁路重力式桥墩加密纵筋高度的可行性。

图4 桥墩滞回曲线Fig.4 Hysteretic curves of bridge piers

2.3 骨架曲线

依据滞回曲线得到桥墩的骨架曲线,见图5。从图5(a)中发现,随着加密钢筋数量的增多,桥墩的水平承载力不断的增大,且极限位移也不断增大,说明仅在墩底加密纵向钢筋,且保证加密高度足够,可以有效提高桥墩的水平承载能力和增大桥墩的极限位移,且从图5(b)和(c)中对比发现仅在墩底加密纵筋桥墩的水平承载能力可以提高到与全截面高配筋桥墩的水平承载力基本相同的程度。

图5 桥墩骨架曲线Fig.5 Skeleton curves of bridge piers

2.4 累计耗能

桥墩的耗能能力是评价其抗震性能的重要指标之一,其耗能主要是依据力-位移曲线所围成的滞回环的面积来计算的[16]。依据该原则计算得到模型桥墩的累计耗能随加载位移变化的曲线,如图6所示。

从图6(a)可以看出,随着墩底配筋率的增大,桥墩的累计耗能不断增大,相同加载位移下,墩底配筋率越大耗能越多,说明仅在墩底增加纵向钢筋的数量可以有效提高桥墩的耗能能力。从图6(b)和(c)中可以看出,M2、M3和M4、M5两组桥墩的累计耗能基本相等,仅在接近破坏时,略有差异,说明仅在墩底增加纵向钢筋的数量,按纵筋加密高度计算公式设计桥墩来提高桥墩的抗震性能是可行的。

图6 桥墩累计耗能曲线Fig.6 Cumulative energy consumption curves of bridge piers

2.5 刚度退化

由于墩身混凝土开裂退出工作,使截面有效高度减小,造成了桥墩的刚度退化,且随着墩顶加载位移的增加,刚度不断减小。为了更直观地反映加载过程中刚度的变化情况,引入了割线刚度的概念。具体计算如式(1)[16],其中,±Fi代表第i次加载下的正、反最大荷载值;±Δi为最大荷载所对应的位移。计算得到各模型桥墩的刚度退化曲线,如图7所示。

图7 桥墩刚度退化曲线Fig.7 Stiffness degradation curves of bridge piers

(1)

由图7(a)可以看出,桥墩的初始刚度随着墩底配筋率的增大而增加,且整个加载过程中,相同加载位移下墩底配筋率越高其刚度越大。图7(b)和(c)中对比发现,M2、M3和M4、M5两组桥墩的刚度基本相同,与通常设置纵向钢筋的桥墩相比,仅在墩底增加纵向钢筋的数量基本不影响桥墩的刚度特性。

3 结论

针对仅在墩底加密纵向钢筋桥墩,提出了加密钢筋高度的确定原则及计算方法,通过对5个桥墩的数值分析得到如下结论:

(1) 提出了墩底加密纵筋高度的确定原则,确保墩底纵筋加密后桥墩的破坏面不发生转移,并推导出了加密钢筋高度的计算公式,通过数值分析,验证了纵筋加密高度计算公式的合理性。

(2) 随着加密钢筋数量的增多,桥墩的水平承载力不断的提高,极限位移不断增大,说明仅在墩底加密纵向钢筋可有效提高桥墩的抗震性能,且桥墩的耗能能力和刚度基本不会降低。

(3) 铁路重力式桥墩抗震设计验算时截面配筋率可取墩底纵筋加密后的截面配筋率。

(4) 限于篇幅本文只进行了静力分析的计算和验证,还缺少动力分析的计算和验证。