基于地震荷載的橋梁墩柱配筋設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

劉錦釧

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地震是由于地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的突發(fā)式自然災(zāi)害的一種類型，通常會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。我國大部分地區(qū)都處于地震災(zāi)害影響范圍，而當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害來臨時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)是生命通道的重要組成部分[1]。特別是對(duì)于大跨度橋梁而言，由于地震破壞后修復(fù)難度大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的要求更高。因此許多業(yè)內(nèi)人士對(duì)橋梁抗震計(jì)算方面作了大量研究。西南交通大學(xué)袁蔚[2]利用MIDAS對(duì)連續(xù)拱的組合橋梁在縱向地震和橫向地震作用下的抗震性能以及破壞部位進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果得出橫向力作用容易引起橋梁發(fā)生剪切破壞，而豎向地震力則主要會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形，沉陷等病害發(fā)生。周勇軍[3]等則針對(duì)橋墩的截面形式對(duì)連續(xù)剛構(gòu)彎橋的地震響應(yīng)產(chǎn)生的影響作用分析后得出剛度相同時(shí)空心墩和實(shí)心墩對(duì)地震響應(yīng)區(qū)別不大，空心墩的墩底應(yīng)力和位移較大。筆者則根據(jù)山西胡李汾河大橋?qū)嶋H情況，在地震荷載下橋梁結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、墩柱結(jié)構(gòu)、配筋設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，得出地震荷載在不同配筋方式下對(duì)橋墩的影響效果，以此進(jìn)一步分析縱向鋼筋和箍筋的設(shè)置目的。

1 工程概況

胡李汾河大橋位于山西省臺(tái)襄線襄汾縣城過境公路改建工程K1+512.0處。上部結(jié)構(gòu)采用13孔30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，如圖1所示。區(qū)內(nèi)的地震從歷史及近期的資料來看都表明本區(qū)地殼活動(dòng)是強(qiáng)烈和頻繁的，山西有70%的地震都集中在汾渭地塹中。胡李汾河大橋項(xiàng)目區(qū)域位于地震烈度為8度區(qū)，地震的動(dòng)峰值加速度能夠達(dá)到0.2g，因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能要求高。

圖1 胡李汾河大橋橋型布置圖

2 地震力作用效應(yīng)分析

地震產(chǎn)生的地震波形多樣，地震力傳播方向也比較復(fù)雜，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)也較為多樣。

2.1 地震波形分析

地震是由于地殼運(yùn)動(dòng)引起地面發(fā)生縱向和水平向震動(dòng)的一種釋放能量的形式。如圖2所示，產(chǎn)生的波形主要有P波和S波兩種，P波就是縱波，主要引起地表發(fā)生縱向震動(dòng)，S波是橫波，導(dǎo)致地面發(fā)生水平晃動(dòng)。

圖2 地震波的類型與傳播示意圖

2.2 地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 彎曲破壞

橋梁結(jié)構(gòu)剪切破壞力超過結(jié)構(gòu)彎曲承載力所致。由于構(gòu)件的抗彎曲能力相對(duì)較低，在地震水平作用力的反復(fù)作用下，損傷截面會(huì)形成塑性鉸[4]。回轉(zhuǎn)變形增大，結(jié)構(gòu)剛度下降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

2.2.2 剪切破壞

結(jié)構(gòu)受到剪切破壞主要發(fā)生在斜截面，基本形式為剪切裂縫，這種破壞形態(tài)屬于脆性破壞，在地震力作用下，如果橋梁墩柱的斜截面受力鋼筋布置過少，會(huì)引起橋梁發(fā)生致命性剪切破壞。

2.2.3 梁體垮落

在地震水平力和豎向力共同作用下，會(huì)引起橋梁搭接節(jié)點(diǎn)部位水平位移過大，引起梁與墩柱之間錯(cuò)位甚至發(fā)生梁體下落現(xiàn)象。

2.2.4 支座損傷

地震引起橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的慣性力，慣性力傳遞到下部結(jié)構(gòu)是通過支座，該部位容易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致支座損傷。

3 地震作用下墩柱配筋及承載力分析

墩柱的配筋方案很大程度上決定結(jié)構(gòu)的抗震性能，縱向鋼筋主要抵抗來自上部結(jié)構(gòu)以及部分水平荷載產(chǎn)生的彎曲變形，結(jié)構(gòu)剪切破壞則與墩柱箍筋布置情況有關(guān)。

3.1 地震作用下墩柱運(yùn)動(dòng)分析

由于地震作用時(shí)在地表會(huì)產(chǎn)生水平力和豎向力，豎向力作用使墩柱受到壓力和拉力作用，而水平力使墩柱產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)彎曲，水平剪切破壞。墩底發(fā)生位移反應(yīng)如圖3所示。

圖3 地震荷載下橋墩底部運(yùn)動(dòng)特征

由于墩柱上端與橋梁上部通過支座連接，上部剛性約束小。利用簡(jiǎn)化模型來分析墩柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化情況，如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化墩柱運(yùn)動(dòng)情況示意圖

地震發(fā)生時(shí)，墩柱在地震力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，引起墩柱彎曲、剪切，導(dǎo)致墩柱內(nèi)部產(chǎn)生多個(gè)塑性鉸，墩柱內(nèi)部的剛度逐漸降低，從而引起墩柱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

3.2 正截面抗彎強(qiáng)度分析

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)基本情況，如圖5所示為橋梁1～12號(hào)墩柱墩身a以及樁基b鋼筋布置示意圖，主筋設(shè)置28根φ25的鋼筋。

圖5 墩柱鋼筋布置情況示意圖

3.2.1 墩柱構(gòu)造及配筋計(jì)算

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)方案，對(duì)墩柱構(gòu)造、荷載狀況以及縱向鋼筋配筋率進(jìn)行計(jì)算分析，在最不利荷載狀況下滿足承載力時(shí)，縱向鋼筋的配筋率計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 1～12號(hào)墩柱基本參數(shù)

3.2.2 正截面承載分析

對(duì)于橋梁墩柱，上部結(jié)構(gòu)主要對(duì)墩柱產(chǎn)生壓應(yīng)力，一般情況下，風(fēng)力作用產(chǎn)生的橫向力作用相對(duì)較小，但是地震荷載作用會(huì)引起結(jié)構(gòu)正截面彎曲甚至破壞。縱向構(gòu)造鋼筋能夠提高截面的極限抗彎承載力，減少混凝土收縮徐變，能有效提高結(jié)構(gòu)物的剛度，同時(shí)，也能夠提高墩柱結(jié)構(gòu)的延性，增強(qiáng)墩柱的抗震性能。

3.3 斜截面抗剪強(qiáng)度分析

在墩柱配筋設(shè)計(jì)中，配置箍筋的作用能夠約束柱體發(fā)生側(cè)向變形，但是，對(duì)于地震區(qū)的橋梁墩柱而言，由于結(jié)構(gòu)受到水平力作用較大，合理配置箍筋能夠提高結(jié)構(gòu)的抗剪切性能。如圖6所示為胡李汾河大橋墩柱箍筋配置情況。

圖6 墩柱箍筋布置情況示意圖

3.3.1 箍筋設(shè)計(jì)及計(jì)算

由于墩柱在地震荷載的反復(fù)作用下會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸區(qū)域的剛度會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剪切破壞，根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）[5]的規(guī)定，在塑性鉸區(qū)域內(nèi)設(shè)置加密箍筋，其最小體積的配箍率應(yīng)當(dāng)大于0.4%，以此提高墩柱的延性，結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行，采用兩種箍筋設(shè)計(jì)方式，分別計(jì)算其配箍率，以此分析箍筋的配置方式對(duì)抗剪承載力的影響作用，基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 箍筋設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

表2計(jì)算結(jié)果中，配箍率為0.441 8%用于實(shí)際工程，配箍率為0.628 3%用作本文第4節(jié)對(duì)箍筋作用的數(shù)值模擬分析的基本參數(shù)之一。

3.3.2 抗剪承載性能分析

箍筋配置能夠?qū)炷羶?nèi)部裂縫起到約束限制作用，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連接性能，并起到固定縱向鋼筋的作用，使之形成撓度的鋼筋骨架，箍筋主要承受剪切力，也就是斜向拉壓力，由于應(yīng)力傳遞過程中會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中[6]。對(duì)于與縱向鋼筋同向的配筋，通過彎起鋼筋進(jìn)行約束，在彎起部位容易產(chǎn)生劈裂裂縫，因此箍筋的設(shè)置主要用于承受結(jié)構(gòu)受到的剪力作用。地震荷載中的水平力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生震動(dòng)，增強(qiáng)了墩柱水平剪切力和斜向拉力，因此，配置箍筋的目的主要是為了抵抗地震荷載的水平力作用。

4 有限元模型分析

通過ANSYS有限元軟件，建立墩柱模型分析墩柱縱向鋼筋和箍筋各自在地震力作用下起到的作用。數(shù)值模擬過程中，在軸向施加壓應(yīng)力方式來模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用，以及在墩上施加水平力的方式模擬地震水平力，計(jì)算分析過程中，選擇橋墩基本計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

4.1 墩柱抗彎性能評(píng)價(jià)

采用ANSYS有限元軟件建立墩柱受彎結(jié)構(gòu)分析模型，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)入POST26后得出的受壓模型如圖7所示。

圖7 墩柱抗彎性能分析模型

通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在設(shè)置素混凝土、設(shè)置縱向鋼筋以及兩種箍筋配置情況下墩柱承載力變化情況，來對(duì)比分析縱向鋼筋和箍筋在受彎曲應(yīng)力中的作用效益，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同配筋方式下墩柱抗彎極限承載力

從圖8所示抗彎極限承載力看，設(shè)置縱向鋼筋和素混凝土相比，極限承載力提高了90%，這說明設(shè)置縱向鋼筋很大程度上能夠提高墩柱的抗彎強(qiáng)度承載力，提高幅度較大，縱向鋼筋起到構(gòu)造鋼筋的作用和增強(qiáng)抗彎性能。即便箍筋對(duì)墩柱混凝土起到約束作用，箍筋發(fā)揮的作用非常小，與僅設(shè)置縱向鋼筋的墩柱比，增加幅度僅有3.008%，由此可知，箍筋的配置對(duì)提高墩柱抗彎強(qiáng)度貢獻(xiàn)甚微，而兩種不同箍筋配置方案下，墩柱極限承載力極差僅有2 kN。由于橋梁上部結(jié)構(gòu)作用，墩柱主要承受壓應(yīng)力，在此不對(duì)墩柱的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析。

4.2 墩柱斜截面抗剪性能評(píng)價(jià)

當(dāng)混凝土墩柱受到水平應(yīng)力作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生彎曲，利用ANSYS軟件建立模型，邊界條件是兩端鉸接，施加斜向剪切作用力，進(jìn)入POST26后得出墩柱結(jié)構(gòu)受剪切模型如圖9所示。

圖9 墩柱斜截面抗剪性能分析模型

通過有限元建立模型，為墩柱施加斜向作用力，使墩柱結(jié)構(gòu)斜截面發(fā)生剪切破壞，并對(duì)比分析素混凝土、僅設(shè)置縱向鋼筋以及兩種箍筋配置方式下墩柱斜截面的抗剪切承載力變化情況，設(shè)置兩種不同箍筋配置方式，是為了進(jìn)一步分析墩柱在地震產(chǎn)生的剪應(yīng)力作用下的承載性能，以此說明箍筋的配置情況主要是針對(duì)地震荷載設(shè)計(jì)的，有限元分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同配筋方式下墩柱斜截面抗彎極限承載力

根據(jù)圖10分析結(jié)果，在不同配筋方式下，墩柱斜截面抗剪強(qiáng)度變化較大。對(duì)墩柱設(shè)置縱向鋼筋和配置箍筋都有利于提高斜截面的抗剪強(qiáng)度性能。相對(duì)于素混凝土而言，縱向鋼筋的設(shè)置能夠提高83.75%的抗剪極限承載力，在箍筋配置方案1中，不僅滿足抗震規(guī)范要求，而且提高的抗剪極限承載力為42 kN。在方案2中，使用螺旋箍筋直徑為16 mm，使螺旋箍筋截面面積為201.061 9 mm2，配箍率達(dá)到0.628 3%時(shí)，墩柱斜截面抗剪極限承載力是素混凝土的2.85倍。對(duì)比兩種箍筋配置方式下，斜截面的抗剪強(qiáng)度變化情況可知，在一定范圍內(nèi)，配箍率越大，斜截面抗剪極限承載力越大。根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，配箍率不宜過大，當(dāng)配箍率過大時(shí)，雖然承載力高，但是結(jié)構(gòu)破壞前的征兆不明顯，而且箍筋無法達(dá)到屈服，這種情況下造成了箍筋強(qiáng)度的浪費(fèi)。因此，在考慮地震荷載，通過配置箍筋提高斜截面抗剪強(qiáng)度時(shí)，還需根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、縱向構(gòu)造鋼筋等因素合理控制配箍率。

5 結(jié)語

從地震波及其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析入手，并以山西臺(tái)襄線過境公路胡李汾河大橋?yàn)槔Y(jié)合ANSYS有限元分析軟件對(duì)地震作用下墩柱配筋及承載性能進(jìn)行分析，最終得出以下結(jié)論：

a）地震荷載作用對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞形態(tài)主要包括回轉(zhuǎn)變形增大的彎曲破壞、剪切裂縫形式的剪切破壞、位移過大引起的梁體垮落、應(yīng)力集中導(dǎo)致的支座損傷4種。

b）通過對(duì)地震荷載下墩柱構(gòu)造鋼筋、箍筋設(shè)計(jì)計(jì)算以及承載性能分析，縱向架立鋼筋主要起到構(gòu)建結(jié)構(gòu)框架，增強(qiáng)正截面抗彎性能的作用，而箍筋設(shè)置則能夠增強(qiáng)抗剪切性能。

c）ANSYS分析結(jié)果得出，縱向鋼筋是根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，而箍筋的設(shè)置主要按照結(jié)構(gòu)抗震性能，用于提高結(jié)構(gòu)斜截面抗剪性能而設(shè)。