高烈度区大跨刚构桥墩柱截面及配筋率验算

尉立基,封 伟

(1.山西交通控股集团有限公司临汾北高速公路分公司,山西 临汾 041000;2.西安市政设计研究院有限公司,陕西 西安 710000)

0 引 言

高速公路的蓬勃发展,在方便出行的同时也使得人们对于交通设施更为依赖,作为跨越河流山谷的桥梁是交通基础设施的重要组成部分,当遭遇强烈地震时,桥梁的损毁不仅会使得交通中断,更会危及到人们的生命财产安全。震后灾区重建,线路的畅通是保障,如果作为关键节点的桥梁无法抵抗地震力破坏可能会引起整条线路的中断,灾害治理速度会大打折扣,纵观历史,破坏性地震对桥梁结构的破坏会产生严重的后果,表明了墩柱的抗震性能的重要性。

由于刚构桥具有跨度大、受力合理、抗震性能好、美观、方便转体施工等优势,在我国高烈度区广泛采用[1],大跨刚构桥一般均跨越河流,地质条件比较差,一般存在液化、冲刷现象等对抗震不利的条件。因此在高烈度区如何对大跨刚构桥的墩柱和桩基的截面尺寸、配筋率等做出相应的调整,使桥梁在满足抗震要求的前提下结构体系及特性得到优化显得尤为重要[2]。

1 桥梁墩柱震害

1.1 弯曲破坏

桥梁的弯曲破坏即当桥梁墩柱截面尺寸小剪跨比大时,由于桥梁截面的抗弯强度不足或其配筋不合适导致延性不足,造成墩柱截面失效而破坏。其失效模式根据破坏程度分以下两种:发生轻、中度破坏时,桥梁墩柱的塑性铰区混凝土保护层剥落、裂缝表现为水平弯曲状,桥梁墩柱的主筋、箍筋处于屈服状态;发生重度破坏时,桥梁墩柱的塑性铰区核心混凝土压溃,纵筋和箍筋外露、发生严重屈曲或断裂。

1.2 剪切破坏和弯剪破坏

桥梁的剪切破坏是当墩柱截面大剪跨比小时,墩柱截面配箍率不够发生的墩柱失效模式,其表现为:桥梁墩柱塑性铰区的混凝土压碎剥落、主筋处于屈曲状态、箍筋剪断、桥梁墩柱整体主裂缝呈斜向滑移式破坏模式。发生剪切破坏的桥墩,表明桥墩由于截面大小和配箍率的不当,导致桥梁延性和消耗地震力能量的能力较差,发生的破坏一般为脆性破坏,造成的影响巨大。在矩形截面桥墩中,若箍筋弯钩角度不足或锚固长度不够、轴压比过高,也会导致桥梁墩柱发生剪切破坏。

桥梁墩柱的失效模式主要分为以上两种,而弯剪破坏是一种介于弯曲与剪切破坏之间的一种失效形式,其产生的原因是两者的综合作用。

1.3 纵筋搭接破坏

为了降低施工难度,我国早期设计的很多桥梁墩柱的主筋不是通长的,这就导致桥梁墩柱与承台或桩基的连接依靠纵筋搭接,而该位置正好为桥梁墩柱塑性铰区,由于其搭接长度不足和箍筋间距较大,不能对桥梁墩柱起到很好的约束作用,进而造成其塑性铰区的延性差,导致桥梁墩柱无法抵抗地震带来的位移,使得桥梁墩柱搭接部位发生粘结破坏,桥梁墩柱的抗震性能无法满足需求。另外,刚构桥也会发生落梁破坏。

综上所述,地震作用给桥梁墩柱带来的失效模式有以下几种:弯曲破坏、剪切破坏和介于两者之间的弯剪破坏。弯曲破坏属于一种延性失效模式,其表现形式由轻微到严重依次为保护层开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等,在发生弯曲破坏的同时,给桥梁墩柱带来很大的塑性变形;剪切破坏属于一种脆性失效模式,剪切破坏会使钢筋混凝土的强度和刚度急剧下降,其失效更为突然,因此其危害性更大;另外桥梁墩柱的基脚破坏也是一种常见的失效模式,尤其存在于墩柱与基础采用了一定连接筋的桥梁墩柱,在地震作用下极易引发墩梁倒塌的严重后果,而节点的破坏主要是剪切破坏。因此在进行桥梁设计时应结合最新的《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T 2231-01—2020),在满足抗震构造要求的基础上进行墩柱、桩基的截面及配筋率验算,进而优化方案。

2 国内外研究成果

国内外学者对连续刚构桥的抗震性能开展了大量研究,主要研究方向有采用塑性铰单元进行弹塑性时程分析研究其进入塑性状态以后的性能、行波效应和桩土效应对其影响和连续刚构桥减震控制等。

2.1 国外研究成果

为了应对地震给结构物(桥梁或房屋)带来的危害,在上世纪国外研究人员就进行了大量地震数据采集,在上世纪九十年代,多个国家建立起了适应自己国情的试验数据库,为抗震领域做出了巨大贡献。比较知名的数据库有日本建立的Kawashima和美国建立的PEER墩柱性能数据库[3],该数据库的建立标志着国外对于墩柱抗震研究已经达到了世界领先水平。但由于我国对该方面研究起步晚,地震的突发性和随机性、地震数据采集系统落后等因素限制了我国对于地震试验墩柱数据库的建立,因此到目前为止,国内还没有一个完备齐全、公开的数据系统,无法针对我国国情对桥梁或其他结构的墩柱进行有效的数据模拟,只能依靠国外数据库进行研究,阻碍了我国桥梁抗震的发展进程。

2.2 国内研究成果

我国作为一个地震灾害频发的国家,对墩柱抗震性能研究起步较晚。自从二十世纪七十年代唐山大地震之后,我国学者开始对钢筋混凝土柱体结构进行延性研究[4],并取得了一定的试验数据成果。

最开始的试验对象为房建中的钢筋混凝土框架柱,国内著名建筑高校如清华大学、同济大学、湖南大学、大连理工大学等均积极开展该类墩柱的试验模拟,并取得了阶段性成果,其成果集中涌现在上世纪八十年代,如清华大学的沈聚敏团队对钢筋混凝土压弯构件的延性和滞回耗能曲线进行了详细研究,同济大学的朱伯龙团队在对钢筋混凝土压弯构件延性和滞回曲线研究的基础上,利用计算机进行有限元模拟与试验结果进行对比分析等。早期的这些研究成果都为将来我国桥梁抗震的研究发展奠定了基础[5]。

通过国内外对钢筋混凝土墩柱的抗震性能研究可知,混凝土标号(强度等)、结构的剪跨比和轴压比、截面(尤其是塑性铰区)的箍筋和纵筋的配筋率这五个因素对桥梁墩柱的延性产生了较大的影响。

3 墩柱合理截面及配筋率研究

3.1 墩柱设计主要控制参数

根据经验和研究可知,桥梁墩柱所受水平力的大小直接决定其是否破坏,水平力的大小也决定着桥梁墩柱设计截面的尺寸。通常,相同主梁作用下不同截面的桥梁墩柱其所承受的水平力与其刚度成正比,如果将刚度不等的桥墩通过主梁连为一体,这样纵向水平力就会按各桥墩的剪力刚度进行分配,大部分传向刚度大的桥墩和桥台,小部分传给刚度小的桥墩。轴压比和主筋对等效屈服弯矩、位移及延性水平影响较大,配箍率对等效屈服弯矩无影响,对位移及延性水平影响较大。在满足静力作用下的同时也应满足延性位移等需求,从而使桥墩在地震作用下可以保持预期中发挥的作用,保证桥梁结构的安全。

(1)轴压比。

轴压比是桥墩的轴心压力与其轴心抗压力之比,为了节约材料,控制造价,导致设计截面的轴压比较大,使得结构越不安全,其抗震性能变差,轴压比u为

(1)

式中:N为墩柱轴力值;A为墩柱截面面积;fc为墩柱混凝土轴向抗压强度标准值。

轴压比是抗震设计中的一项关键指标,控制轴压比是为了避免结构发生脆性破坏,通过工程实践可知,轴压比小的墩柱其地震破坏程度远小于轴压比大的墩柱,小的轴压比会使得结构具有更好的延性。一般在抗震设计中,若上部结构确定,其轴力一般不会变化较小,根据公式(1)可知,可通过增大设计截面的面积来控制轴压比满足规范限值要求。

(2)纵筋配筋率。

纵筋配筋率一般取塑性铰区截面纵向受力钢筋与截面有效面积的比值。其值的大小直接影响桥梁墩柱的延性。超筋或少筋均有可能使墩柱在地震作用下发生脆性破坏,危害巨大。因此,合理的配筋率是延性设计的关键。我国规范规定墩柱的纵向钢筋宜对称均匀布置,配筋率在0.6%与4%之间即可。

(3)箍筋配筋率。

在桥梁墩柱抗震设计当中,合理的配箍率可使截面承载力和延性提高,也是影响混凝土构件抗剪承载力的主要因素,可提高桥梁墩柱在地震力作用下的变形能力。2020版规范和《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)对烈度为7°和8°区,给出了墩柱塑性铰区加密箍筋的最小体积配箍率,如公式(2)、公式(3)所示。并对烈度9°及以上地区提出其配箍率应视情况增加,进而提高桥梁墩柱的延性。

圆形截面时,

ρs,min=[0.14ηk+5.84(ηk-0.1)(ρt-0.01)+

(2)

矩形截面时,

ρs,min=[0.1ηk+4.17(ηk-0.1)(ρt-0.01)+

(3)

式中:ρs,min为最新体积配筋率;ηk为轴压比;ρt为纵向配筋率;fck为混凝土抗压强度标准值;fhk为箍筋抗拉强度标准值。

3.2 墩柱截面验算

(1)墩柱截面验算原则。

由于地震的突发性和破坏性,为防止墩柱发生脆性破坏,就需要引入延性设计的抗震概念,通过墩柱的延性来达到耗能的作用,来适应地震力带来的位移。因此,就需要墩柱结构在设计地震加速度范围内必须保证满足设计可靠度指标的延性储备[6]。为了实现这个目标,就必须进行延性需求与能力分析比较。在设计阶段,根据过渡墩、主墩墩身结构的截面详细配筋图,对关键截面、各桥墩墩底及群桩基础进行了验算。通过有限元对墩柱截面进行纤维单元划分,在截面上施加相应的轴力,得到该截面的设计弯矩-曲率曲线图,如图1所示。

Mu、Meq、My—依次为极限弯矩、等效屈服弯矩、初始屈服弯矩;依次为初始屈服弯矩、等效屈服弯矩、极限弯矩对应的曲率。

截面等效抗弯强度是理论上简化的一种模型,其原则是将截面在轴力作用下的非线性弯矩曲率曲线等效成两条直线,来表示其截面的弹塑性。中间的等效抗弯强度Meq可由图1中阴影部分面积相等来计算得出。其中My为桥梁墩柱截面在最不利轴力作用下,最外侧主筋首次屈服时的弯矩,称为初始屈服弯矩;因此,等效屈服弯矩为Meq;极限弯矩为Mu,在该弯矩作用下,截面已达到失效状态的临界值。

(2)墩柱截面验算方法。

根据前述对桥梁抗震性能延性设计方法,对具体截面进行抗震性能延性设计步骤如下所示。

以墩柱常用截面(矩形和圆形)为例,通过Ucfyber有限元软件,将截面的实际截面尺寸和钢筋混凝土本构模型输入,分别对钢筋和混凝土进行划分单元,通过其本构模型来模拟实际应力-应变关系,划分完成后的纤维单元截面。通过施加轴力,采用截面数值积分法对钢筋混凝土本构模型进行计算,可得到轴力作用下的弯矩-曲率曲线,进而得到初始屈服弯矩My、等效屈服弯矩Meq和极限弯矩为Mu。

桥梁墩柱结构在地震力E1作用下应采用强度设计理论,即地震力作用下产生的弯矩应小于截面的初始屈服弯矩My,结构处于弹性状态,基本无损伤。

桥梁墩柱结构在地震力E2作用下,若要保证其截面处于弹性状态,可能会使得截面超筋或大大增加造价,不经济,因此在该状态下应采用延性设计理论。对于关键性截面如:桥塔截面、墩柱截面和桩基截面要求地震力作用下产生的弯矩应小于截面等效抗弯屈服弯矩Meq,并且要求小于极限弯矩,保证结构不致倒塌。其中,桩基按能力保护构件进行计算。

实际上,在地震过程中,当桥梁墩柱截面地震力产生的弯矩达到等效抗弯屈服弯矩时,其最外侧主筋会有部分钢筋进入了屈服状态,地震作用下会使截面产生超过裂缝宽度允许值的裂缝,如果达不到极限弯矩,墩柱截面的保护层还是完好的(保护层破坏的弯矩为极限弯矩Mu,Meq≤Mu),由于地震力持续时间短,在地震发生以后,由于自重作用,裂缝一般均可自行闭合,不会影响车辆通行性能。

4 结 语

(1)基于力学,对墩柱震害进行了分析研究归类。

(2)根据国内外研究资料,分析得到影响墩柱合理截面及配筋率的关键因素。

(3)结合规范,提出大跨径刚构桥墩柱截面验算原则及一般方法。