鋼筋混凝土墩柱抗震變形能力研究進(jìn)展及評(píng)述

孫 罡

上海友景建筑設(shè)計(jì)有限公司 上海 201499

鋼筋混凝土墩柱（包括橋墩、框架柱等）是結(jié)構(gòu)的主要豎向承重構(gòu)件。根據(jù)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)方法，一般要求強(qiáng)震下橋墩發(fā)生塑性變形以消耗地震能量，保證樁基礎(chǔ)、蓋梁等構(gòu)件不發(fā)生破壞，因此橋墩抗震變形能力的大小成為橋梁延性抗震設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[1]。

對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，一般遵循“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)理念，要求地震下框架塑性變形及耗能能力發(fā)生在梁端，而柱具有足夠的強(qiáng)度，地震下發(fā)生較少的損傷破壞。從這個(gè)意義上講，一般情況下應(yīng)保證框架梁具有良好的變形能力，確保框架柱具有良好的抗震變形能力是結(jié)構(gòu)在大震下抗倒塌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

影響鋼筋混凝土墩柱抗震變形能力的因素眾多，主要包括軸壓比、箍筋配筋、縱筋配筋、剪跨比等。本文分別針對(duì)各個(gè)因素對(duì)墩柱抗震變形能力的影響進(jìn)行討論。

1 軸壓比的影響

鋼筋混凝土墩柱抗震變形能力隨著軸壓比的提高而顯著降低。這主要是由于高軸壓的存在會(huì)加快混凝土壓碎和縱筋屈曲破壞的過(guò)程，并且高軸壓引起的P-?效應(yīng)會(huì)顯著增加墩底的彎矩，加劇混凝土和縱筋的破壞過(guò)程。

目前國(guó)內(nèi)外主要的混凝土結(jié)構(gòu)及橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，如ACI318-08、AASHTO LRFD 2005及AASHTO 1996、Caltrans、Eurocode 8—1998、JTG/T B02-01—2008等均規(guī)定：為保證墩柱的延性抗震能力，墩柱塑性鉸區(qū)配箍率隨軸壓比增加而增加。

2 箍筋配箍率和強(qiáng)度的影響

墩柱抗震變形能力隨配箍率增加而增加，并且隨箍筋屈服強(qiáng)度的增加而增加。這主要是因?yàn)椋S配箍率和箍筋強(qiáng)度的增加，對(duì)墩柱核心混凝土的約束能力增加，并且延緩了縱筋屈曲破壞的過(guò)程，且增大了墩柱的塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度。

2.5.2 引出論題，初步觀察 針對(duì)莖中有怎樣結(jié)構(gòu)才能高效地運(yùn)輸水分，有學(xué)生馬上想到了莖中可能有管狀的結(jié)構(gòu)。引出論題： 莖中有專門管道運(yùn)輸水分。接下來(lái)教師展示橫切的莖的圖片。詢問(wèn)學(xué)生對(duì)于這一猜測(cè)的看法。如果有專門管道，在莖的橫切面上我們能看到什么？橫切莖面上可能有小孔的想法跑到了學(xué)生的腦海中。然后讓學(xué)生嘗試直接肉眼觀察尋找莖橫切面上的小孔。教師繼續(xù)追問(wèn)： 單憑雙眼看不到說(shuō)明什么？這上面到底有沒(méi)有小孔？部分學(xué)生搖頭，有學(xué)生補(bǔ)充說(shuō)這是因?yàn)閭€(gè)管道太細(xì)小了所以肉眼看不見(jiàn)。初步肉眼的觀察肯定看不到導(dǎo)管，但能讓學(xué)生進(jìn)一步猜測(cè)導(dǎo)管很細(xì)小的特點(diǎn)，后面用顯微鏡觀察橫切的莖顯得很有必要。

同樣，ACI318-08、AASHTO LRFD 2005及AASHTO 1996、Caltrans、Eurocode 8—1998、JTG/T B02-01—2008等均規(guī)定：為保證墩柱的延性抗震能力，墩柱塑性鉸區(qū)配箍率隨箍筋強(qiáng)度增加而減少。

熊朝暉等[2]首先完成了8個(gè)方形截面鋼筋混凝土柱構(gòu)件的擬靜力試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上借助于美國(guó)太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER）柱抗震性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，共收集了103根鋼筋混凝土柱式構(gòu)件的擬靜力試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸分析，建立了如下聯(lián)系墩柱極限位移角Ru和體積配箍率ρv的計(jì)算公式〔式（1）、式（2）〕：

王琳榕等[3]、肖巖等[4]的研究均表明，墩柱變形能力隨配箍率和箍筋屈服強(qiáng)度的增加而增加，隨軸壓比增加而減少。

Erduran等[6]根據(jù)收集到的33根矩形截面鋼筋混凝土墩柱試驗(yàn)結(jié)果，以位移延性系數(shù)為變形指標(biāo)，回歸了如下墩

3 縱筋配筋的影響

孫治國(guó)等[8]的研究表明，當(dāng)以墩頂極限位移角為變形指標(biāo)時(shí)，墩柱變形能力隨配箍率增加而增加，隨箍筋強(qiáng)度增加而增加，隨軸壓比增加而減少，隨縱筋配筋率和屈服強(qiáng)度的增加而增加，隨保護(hù)層厚度的增加而減少。

4 剪跨比的影響

根據(jù)等效塑性鉸模型[9]，橋墩位移延性系數(shù)uΔ與墩底曲率延性系數(shù)uφ之間的關(guān)系為〔式（12）〕：

根據(jù)Priestley等[9]的研究，Lp約等于加載方向截面寬度的1/2，且不隨試件高度L的變化而變化。并且，在其他參數(shù)不變的情況下，墩底曲率延性系數(shù)uφ保持恒定。因此，根據(jù)式（12），不難得出墩柱的位移延性系數(shù)隨橋墩高度增加而降低的結(jié)論，并且Priestley等[9]完成的墩柱擬靜力試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)，剪跨比為4.0的墩柱其位移延性系數(shù)略小于剪跨比為2.0的墩柱。

吳波等[10]根據(jù)收集到的新西蘭、北美和日本完成的40根鋼筋混凝土框架柱擬靜力試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸分析，建立了如下極限位移角計(jì)算公式〔式（13）〕：

很明顯，根據(jù)吳波等的研究，墩柱的變形能力隨配箍量增加和箍筋屈服強(qiáng)度增加而增加，隨剪跨比增加而增加，隨軸壓比增加而減少。

李吉等[11]等基于PEER數(shù)據(jù)庫(kù)收集到的97根彎曲破壞鋼筋混凝土柱試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸分析研究了柱變形能力與軸壓比、縱筋配筋率、配箍率、剪跨比等的關(guān)系。分析方法采用了單因素線性回歸。結(jié)果表明，墩柱極限位移角隨軸壓比增加而減少、隨縱筋配筋率增加而增加、隨配箍率增加而減少（這個(gè)結(jié)論很不正常）、隨剪跨比增加而增加。需要說(shuō)明，由于采用的單因素線性回歸，各影響因素與極限位移角間未建立統(tǒng)一的回歸公式，可能對(duì)分析結(jié)果有所影響。其中最大的問(wèn)題是，李吉等[11]認(rèn)為墩柱極限位移角隨配箍率增加而減少，這與國(guó)內(nèi)外的認(rèn)識(shí)很不一致。

高菲等[12]收集了中國(guó)學(xué)者完成的80根彎曲破壞鋼筋混凝土框架柱，通過(guò)回歸分析分別建立了位移延性系數(shù)u?、極限位移角Ru與柱剪跨比λ、軸壓比ηk、配箍特征值λv之間的關(guān)系〔式（14）～式（16）〕：

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以位移延性系數(shù)u?為變形指標(biāo)時(shí)，墩柱變形能力隨剪跨比和軸壓比增加而減少、隨配箍量和箍筋強(qiáng)度增加而增加。

當(dāng)以極限位移角Ru為變形指標(biāo)時(shí)，墩柱變形能力隨剪跨比和軸壓比增加而增加，隨配箍量和箍筋強(qiáng)度增加而增加。需要注意，變形能力Ru隨軸壓比ηk增加而增加的結(jié)論也與國(guó)內(nèi)外的認(rèn)識(shí)很不一致。

高菲等[12]還收集了108根美國(guó)鋼筋混凝土柱試驗(yàn)結(jié)果，并建立了如下計(jì)算極限位移角Ru的計(jì)算公式〔式（17）〕：

式（16）和式（17）表明，墩柱變形能力隨剪跨比和軸壓比增加而減少，隨配箍特征值增加而增加。

5 保護(hù)層厚度的影響

張國(guó)軍等[13]根據(jù)收集到的108根高強(qiáng)混凝土柱擬靜力試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸分析，分別建立了如下極限位移角Ru的計(jì)算公式〔式（18）、式（19）〕：

張國(guó)軍等[13]的研究表明，墩柱變形能力隨配箍特征值增加而增加，隨軸壓比增加而減少，隨保護(hù)層厚度增加而減少。

孫治國(guó)等[14]收集整理了國(guó)內(nèi)外完成的98個(gè)矩形截面高強(qiáng)箍筋高強(qiáng)混凝土柱擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析，當(dāng)以極限位移角為變形指標(biāo)時(shí)，建立了如下計(jì)算公式〔式（20）〕：

式（20）與式（10）在形式上一致，結(jié)論也一致，即墩柱變形能力隨保護(hù)層厚度的增加而減少。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合以上研究可以看出，盡管不同學(xué)者所得出的結(jié)論略有差別，但均得出了相似的結(jié)論，即當(dāng)以墩柱極限位移角作為變形能力衡量指標(biāo)時(shí)，墩柱變形能力與以下各因素密切相關(guān)：

1）隨體積配箍率增加和箍筋強(qiáng)度提高，墩柱變形能力增加。

2）隨軸壓比增加，墩柱變形能力減小。

3）隨縱筋配筋率增加和縱筋強(qiáng)度提高，墩柱變形能力增加。

4）隨保護(hù)層厚度增加，墩柱變形能力減小。

5）剪跨比對(duì)墩柱變形能力的影響尚不確定，由于各學(xué)者掌握的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不同，結(jié)論各異。Priestley等[9]以位移延性系數(shù)作為衡量指標(biāo)時(shí)，認(rèn)為隨剪跨比增加墩柱位移延性能力減少。吳波等認(rèn)為隨剪跨比增加而墩柱極限位移角增加；高菲等[12]分別以中國(guó)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和美國(guó)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，卻得出了不同的結(jié)論。