高烈度區大跨剛構橋墩柱截面及配筋率驗算

尉立基,封 偉

(1.山西交通控股集團有限公司臨汾北高速公路分公司,山西 臨汾 041000;2.西安市政設計研究院有限公司,陜西 西安 710000)

0 引 言

高速公路的蓬勃發展,在方便出行的同時也使得人們對于交通設施更為依賴,作為跨越河流山谷的橋梁是交通基礎設施的重要組成部分,當遭遇強烈地震時,橋梁的損毀不僅會使得交通中斷,更會危及到人們的生命財產安全。震后災區重建,線路的暢通是保障,如果作為關鍵節點的橋梁無法抵抗地震力破壞可能會引起整條線路的中斷,災害治理速度會大打折扣,縱觀歷史,破壞性地震對橋梁結構的破壞會產生嚴重的后果,表明了墩柱的抗震性能的重要性。

由于剛構橋具有跨度大、受力合理、抗震性能好、美觀、方便轉體施工等優勢,在我國高烈度區廣泛采用[1],大跨剛構橋一般均跨越河流,地質條件比較差,一般存在液化、沖刷現象等對抗震不利的條件。因此在高烈度區如何對大跨剛構橋的墩柱和樁基的截面尺寸、配筋率等做出相應的調整,使橋梁在滿足抗震要求的前提下結構體系及特性得到優化顯得尤為重要[2]。

1 橋梁墩柱震害

1.1 彎曲破壞

橋梁的彎曲破壞即當橋梁墩柱截面尺寸小剪跨比大時,由于橋梁截面的抗彎強度不足或其配筋不合適導致延性不足,造成墩柱截面失效而破壞。其失效模式根據破壞程度分以下兩種:發生輕、中度破壞時,橋梁墩柱的塑性鉸區混凝土保護層剝落、裂縫表現為水平彎曲狀,橋梁墩柱的主筋、箍筋處于屈服狀態;發生重度破壞時,橋梁墩柱的塑性鉸區核心混凝土壓潰,縱筋和箍筋外露、發生嚴重屈曲或斷裂。

1.2 剪切破壞和彎剪破壞

橋梁的剪切破壞是當墩柱截面大剪跨比小時,墩柱截面配箍率不夠發生的墩柱失效模式,其表現為:橋梁墩柱塑性鉸區的混凝土壓碎剝落、主筋處于屈曲狀態、箍筋剪斷、橋梁墩柱整體主裂縫呈斜向滑移式破壞模式。發生剪切破壞的橋墩,表明橋墩由于截面大小和配箍率的不當,導致橋梁延性和消耗地震力能量的能力較差,發生的破壞一般為脆性破壞,造成的影響巨大。在矩形截面橋墩中,若箍筋彎鉤角度不足或錨固長度不夠、軸壓比過高,也會導致橋梁墩柱發生剪切破壞。

橋梁墩柱的失效模式主要分為以上兩種,而彎剪破壞是一種介于彎曲與剪切破壞之間的一種失效形式,其產生的原因是兩者的綜合作用。

1.3 縱筋搭接破壞

為了降低施工難度,我國早期設計的很多橋梁墩柱的主筋不是通長的,這就導致橋梁墩柱與承臺或樁基的連接依靠縱筋搭接,而該位置正好為橋梁墩柱塑性鉸區,由于其搭接長度不足和箍筋間距較大,不能對橋梁墩柱起到很好的約束作用,進而造成其塑性鉸區的延性差,導致橋梁墩柱無法抵抗地震帶來的位移,使得橋梁墩柱搭接部位發生粘結破壞,橋梁墩柱的抗震性能無法滿足需求。另外,剛構橋也會發生落梁破壞。

綜上所述,地震作用給橋梁墩柱帶來的失效模式有以下幾種:彎曲破壞、剪切破壞和介于兩者之間的彎剪破壞。彎曲破壞屬于一種延性失效模式,其表現形式由輕微到嚴重依次為保護層開裂、混凝土剝落壓潰、鋼筋裸露和彎曲等,在發生彎曲破壞的同時,給橋梁墩柱帶來很大的塑性變形;剪切破壞屬于一種脆性失效模式,剪切破壞會使鋼筋混凝土的強度和剛度急劇下降,其失效更為突然,因此其危害性更大;另外橋梁墩柱的基腳破壞也是一種常見的失效模式,尤其存在于墩柱與基礎采用了一定連接筋的橋梁墩柱,在地震作用下極易引發墩梁倒塌的嚴重后果,而節點的破壞主要是剪切破壞。因此在進行橋梁設計時應結合最新的《公路橋梁抗震設計規范》(JTG/T 2231-01—2020),在滿足抗震構造要求的基礎上進行墩柱、樁基的截面及配筋率驗算,進而優化方案。

2 國內外研究成果

國內外學者對連續剛構橋的抗震性能開展了大量研究,主要研究方向有采用塑性鉸單元進行彈塑性時程分析研究其進入塑性狀態以后的性能、行波效應和樁土效應對其影響和連續剛構橋減震控制等。

2.1 國外研究成果

為了應對地震給結構物(橋梁或房屋)帶來的危害,在上世紀國外研究人員就進行了大量地震數據采集,在上世紀九十年代,多個國家建立起了適應自己國情的試驗數據庫,為抗震領域做出了巨大貢獻。比較知名的數據庫有日本建立的Kawashima和美國建立的PEER墩柱性能數據庫[3],該數據庫的建立標志著國外對于墩柱抗震研究已經達到了世界領先水平。但由于我國對該方面研究起步晚,地震的突發性和隨機性、地震數據采集系統落后等因素限制了我國對于地震試驗墩柱數據庫的建立,因此到目前為止,國內還沒有一個完備齊全、公開的數據系統,無法針對我國國情對橋梁或其他結構的墩柱進行有效的數據模擬,只能依靠國外數據庫進行研究,阻礙了我國橋梁抗震的發展進程。

2.2 國內研究成果

我國作為一個地震災害頻發的國家,對墩柱抗震性能研究起步較晚。自從二十世紀七十年代唐山大地震之后,我國學者開始對鋼筋混凝土柱體結構進行延性研究[4],并取得了一定的試驗數據成果。

最開始的試驗對象為房建中的鋼筋混凝土框架柱,國內著名建筑高校如清華大學、同濟大學、湖南大學、大連理工大學等均積極開展該類墩柱的試驗模擬,并取得了階段性成果,其成果集中涌現在上世紀八十年代,如清華大學的沈聚敏團隊對鋼筋混凝土壓彎構件的延性和滯回耗能曲線進行了詳細研究,同濟大學的朱伯龍團隊在對鋼筋混凝土壓彎構件延性和滯回曲線研究的基礎上,利用計算機進行有限元模擬與試驗結果進行對比分析等。早期的這些研究成果都為將來我國橋梁抗震的研究發展奠定了基礎[5]。

通過國內外對鋼筋混凝土墩柱的抗震性能研究可知,混凝土標號(強度等)、結構的剪跨比和軸壓比、截面(尤其是塑性鉸區)的箍筋和縱筋的配筋率這五個因素對橋梁墩柱的延性產生了較大的影響。

3 墩柱合理截面及配筋率研究

3.1 墩柱設計主要控制參數

根據經驗和研究可知,橋梁墩柱所受水平力的大小直接決定其是否破壞,水平力的大小也決定著橋梁墩柱設計截面的尺寸。通常,相同主梁作用下不同截面的橋梁墩柱其所承受的水平力與其剛度成正比,如果將剛度不等的橋墩通過主梁連為一體,這樣縱向水平力就會按各橋墩的剪力剛度進行分配,大部分傳向剛度大的橋墩和橋臺,小部分傳給剛度小的橋墩。軸壓比和主筋對等效屈服彎矩、位移及延性水平影響較大,配箍率對等效屈服彎矩無影響,對位移及延性水平影響較大。在滿足靜力作用下的同時也應滿足延性位移等需求,從而使橋墩在地震作用下可以保持預期中發揮的作用,保證橋梁結構的安全。

(1)軸壓比。

軸壓比是橋墩的軸心壓力與其軸心抗壓力之比,為了節約材料,控制造價,導致設計截面的軸壓比較大,使得結構越不安全,其抗震性能變差,軸壓比u為

(1)

式中:N為墩柱軸力值;A為墩柱截面面積;fc為墩柱混凝土軸向抗壓強度標準值。

軸壓比是抗震設計中的一項關鍵指標,控制軸壓比是為了避免結構發生脆性破壞,通過工程實踐可知,軸壓比小的墩柱其地震破壞程度遠小于軸壓比大的墩柱,小的軸壓比會使得結構具有更好的延性。一般在抗震設計中,若上部結構確定,其軸力一般不會變化較小,根據公式(1)可知,可通過增大設計截面的面積來控制軸壓比滿足規范限值要求。

(2)縱筋配筋率。

縱筋配筋率一般取塑性鉸區截面縱向受力鋼筋與截面有效面積的比值。其值的大小直接影響橋梁墩柱的延性。超筋或少筋均有可能使墩柱在地震作用下發生脆性破壞,危害巨大。因此,合理的配筋率是延性設計的關鍵。我國規范規定墩柱的縱向鋼筋宜對稱均勻布置,配筋率在0.6%與4%之間即可。

(3)箍筋配筋率。

在橋梁墩柱抗震設計當中,合理的配箍率可使截面承載力和延性提高,也是影響混凝土構件抗剪承載力的主要因素,可提高橋梁墩柱在地震力作用下的變形能力。2020版規范和《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)對烈度為7°和8°區,給出了墩柱塑性鉸區加密箍筋的最小體積配箍率,如公式(2)、公式(3)所示。并對烈度9°及以上地區提出其配箍率應視情況增加,進而提高橋梁墩柱的延性。

圓形截面時,

ρs,min=[0.14ηk+5.84(ηk-0.1)(ρt-0.01)+

(2)

矩形截面時,

ρs,min=[0.1ηk+4.17(ηk-0.1)(ρt-0.01)+

(3)

式中:ρs,min為最新體積配筋率;ηk為軸壓比;ρt為縱向配筋率;fck為混凝土抗壓強度標準值;fhk為箍筋抗拉強度標準值。

3.2 墩柱截面驗算

(1)墩柱截面驗算原則。

由于地震的突發性和破壞性,為防止墩柱發生脆性破壞,就需要引入延性設計的抗震概念,通過墩柱的延性來達到耗能的作用,來適應地震力帶來的位移。因此,就需要墩柱結構在設計地震加速度范圍內必須保證滿足設計可靠度指標的延性儲備[6]。為了實現這個目標,就必須進行延性需求與能力分析比較。在設計階段,根據過渡墩、主墩墩身結構的截面詳細配筋圖,對關鍵截面、各橋墩墩底及群樁基礎進行了驗算。通過有限元對墩柱截面進行纖維單元劃分,在截面上施加相應的軸力,得到該截面的設計彎矩-曲率曲線圖,如圖1所示。

Mu、Meq、My—依次為極限彎矩、等效屈服彎矩、初始屈服彎矩;依次為初始屈服彎矩、等效屈服彎矩、極限彎矩對應的曲率。

截面等效抗彎強度是理論上簡化的一種模型,其原則是將截面在軸力作用下的非線性彎矩曲率曲線等效成兩條直線,來表示其截面的彈塑性。中間的等效抗彎強度Meq可由圖1中陰影部分面積相等來計算得出。其中My為橋梁墩柱截面在最不利軸力作用下,最外側主筋首次屈服時的彎矩,稱為初始屈服彎矩;因此,等效屈服彎矩為Meq;極限彎矩為Mu,在該彎矩作用下,截面已達到失效狀態的臨界值。

(2)墩柱截面驗算方法。

根據前述對橋梁抗震性能延性設計方法,對具體截面進行抗震性能延性設計步驟如下所示。

以墩柱常用截面(矩形和圓形)為例,通過Ucfyber有限元軟件,將截面的實際截面尺寸和鋼筋混凝土本構模型輸入,分別對鋼筋和混凝土進行劃分單元,通過其本構模型來模擬實際應力-應變關系,劃分完成后的纖維單元截面。通過施加軸力,采用截面數值積分法對鋼筋混凝土本構模型進行計算,可得到軸力作用下的彎矩-曲率曲線,進而得到初始屈服彎矩My、等效屈服彎矩Meq和極限彎矩為Mu。

橋梁墩柱結構在地震力E1作用下應采用強度設計理論,即地震力作用下產生的彎矩應小于截面的初始屈服彎矩My,結構處于彈性狀態,基本無損傷。

橋梁墩柱結構在地震力E2作用下,若要保證其截面處于彈性狀態,可能會使得截面超筋或大大增加造價,不經濟,因此在該狀態下應采用延性設計理論。對于關鍵性截面如:橋塔截面、墩柱截面和樁基截面要求地震力作用下產生的彎矩應小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq,并且要求小于極限彎矩,保證結構不致倒塌。其中,樁基按能力保護構件進行計算。

實際上,在地震過程中,當橋梁墩柱截面地震力產生的彎矩達到等效抗彎屈服彎矩時,其最外側主筋會有部分鋼筋進入了屈服狀態,地震作用下會使截面產生超過裂縫寬度允許值的裂縫,如果達不到極限彎矩,墩柱截面的保護層還是完好的(保護層破壞的彎矩為極限彎矩Mu,Meq≤Mu),由于地震力持續時間短,在地震發生以后,由于自重作用,裂縫一般均可自行閉合,不會影響車輛通行性能。

4 結 語

(1)基于力學,對墩柱震害進行了分析研究歸類。

(2)根據國內外研究資料,分析得到影響墩柱合理截面及配筋率的關鍵因素。

(3)結合規范,提出大跨徑剛構橋墩柱截面驗算原則及一般方法。