钢筋混凝土墩柱抗剪性能的影响分析

杨雅勋，黄 华

(1.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 710064;2.长安大学 建筑工程学院，西安 710061)

北京时间2008年5月12日下午2时28分，中国汶川发生8.0级大地震，震中烈度高达11度，震源深度约16 km。此次地震使得重灾区几乎所有的公路桥梁遭受严重破坏，桥台滑移、梁和桥台受挤压、锚栓剪断、系梁开裂，部分大桥由于落梁而毁坏。其破坏形式多样，程度极其严重，就调查区域情况来看，灾区桥梁破坏可以分以下几种类型:桥台震害、桥墩震害、落梁震害、桥梁上部结构破坏和支座破坏。桥墩作为支撑桥梁上部构造的主要构件，其震害主要包括桥墩的断裂和变形，破坏如图1所示。图1(a)所示为某大桥墩柱底部剪切破坏，图1(b)为某大桥墩柱系梁处剪切破坏，图1(c)为某大桥墩柱压溃。对于梁式桥梁，只要下部结构不倒塌，上部结构在地震中的震害多表现为刚体移动，而主梁开裂、破坏等结构性震害较少，这一现象与日本阪神地震中的情况较为相似。因此，确保地震中桥墩的抗剪性能，减少其致命损伤的发生，确保救灾生命线的畅通具有重要意义［1-3］，而目前这方面的研究主要集中在建筑结构方面［4-11］。本文以桥梁墩柱的剪切破坏为研究对象，通过数值分析，指出影响墩柱抗剪性能的影响因素，为墩柱的抗剪设计及加固提供参考。

图1 汶川地震中桥梁墩柱破坏形态

1 数值分析概况

桥梁墩柱的剪切破坏在汶川地震中表现较多，此处以某大桥为原型，建立缩尺模型，通过ANSYS有限元程序进行数值分析，揭示其内在的影响机理。

模型截面见图2，材料参数见表1。主要考虑混凝土强度、箍筋数量、轴压比、墩柱高度等对墩柱抗剪性能的影响。柱的纵筋 8根 φ25 mm，屈服强度 453 MPa。

图2 模型截面及尺寸(单位:mm)

2 墩柱抗剪性能分析

2.1 剪切破坏现象

数值计算结果见表2。表中Vy为箍筋屈服时的剪力，uy为墩顶的屈服位移，Vu为混凝土剪切破坏时的极限剪力，uu为墩顶的极限位移。由表2可见，随墩柱各自参数的不同，特征荷载均有不同程度的变化。

表1 试件编号及分类

表2 数值计算结果

墩柱破坏时的典型应力云图见图3。图3(a)为破坏时的混凝土第3主应力云图，由图3(a)可见混凝土达到抗压强度，发生剪压破坏。图3(b)为钢筋应力云图，由图3(b)可见，箍筋发生屈服时，纵向钢筋远未达到屈服强度，破坏方式为典型的剪切破坏。

2.2 混凝土强度的影响

混凝土强度对抗剪性能的影响曲线见图4，主要考虑 C30、C40、C50三种强度。

由图4(a)结合表2数据可见，混凝土强度对墩柱抗剪性能有非常大的影响，随混凝土强度提高，箍筋屈服荷载及极限荷载均增大，墩顶位移亦同样变化。以构件DZ-1为参照，屈服荷载提高幅度为21.6%和39.6%，极限荷载提高幅度为37.7%和65.6%;箍筋屈服时墩顶位移的增幅分别为2.6%和4.8%，极限位移的增幅为55.0%和67.9%。

图3 墩柱破坏时的典型应力云图

由图4(b)可见，各墩柱箍筋应力发展趋势基本一致，最初阶段基本不受力，随混凝土开裂，逐步承受荷载。但混凝土强度最低的墩柱，其箍筋最先受力，且混凝土强度越高，箍筋屈服及破坏越晚。图4(c)进一步说明了混凝土强度越高，抗剪承载力越大。墩柱宜采用较高强度的混凝土。

图4 混凝土强度对墩柱抗剪性能的影响

2.3 轴压比的影响

轴压比对抗剪性能的影响曲线见图5，主要考虑轴压比分别为0、0.15、0.30和0.50四种情况。

由图5(a)结合表2数据可见，轴压比对墩柱抗剪性能有非常大的影响，随轴压比的提高，箍筋屈服荷载及墩顶屈服位移均增大;但极限荷载却先增大，后减小，墩顶极限位移亦同样变化。以构件DZ-4为参照，屈服荷载提高幅度为51.2%、105.9%和156.0%，而极限荷载提高幅度为24.4%、25.2%和18.5%;箍筋屈服时墩顶位移的增幅分别为0、16.1%和20.8%，极限位移的增幅为3.1%、－25.8%和－59.2%。

由图5(a)、5(b)可见，各墩柱箍筋应力发展趋势基本一致，轴压比越小，混凝土开裂越早，箍筋承受荷载亦早，但过大的轴压比会对墩柱的抗剪承载力造成不利影响，使其抗剪承载力降低，延性变差。

对轴压比过大的墩柱可通过增大截面积的方法，来降低轴压比，提高抗剪承载力，并改善柱的延性。

图5 轴压比对墩柱抗剪性能的影响

2.4 箍筋用量

箍筋用量对抗剪性能的影响曲线见图6。主要考虑配箍率分别为0.19%、0.37%和0.67%三种情况。

由图6(a)结合表2数据可见，随配箍率的提高，箍筋屈服荷载及墩顶屈服位移均增大;极限荷载亦同，但墩顶极限位移则变化不大，并且可能减小。以构件DZ-2为参照，屈服荷载提高幅度为18.8%和40.9%，而极限荷载提高幅度为2.3%和13.4%;箍筋屈服时墩顶位移的增幅分别为40.3%和106.0%，极限位移的增幅为－12.2%和1.8%。

由图6(b)、6(c)可见，各墩柱箍筋应力、混凝土应力在加载初期基本相同，直到荷载达到300 kN以上时，才有所变化。

由此可见，通过FRP、粘钢等进行抗剪加固，其本质上是增大墩柱的配箍率，这虽然可以提高其屈服荷载和增大墩顶的变形幅度，但极限承载能力变化不会很大。

图6 箍筋用量对墩柱抗剪性能的影响

2.5 柱高度

柱高度对抗剪性能的影响曲线见图7，主要考虑柱高分别为400 mm、600 mm和800 mm三种情况。

由图7(a)结合表2数据可见，随柱高度，箍筋屈服荷载及极限荷载均减小;而墩顶屈服位移及极限位移增大。以构件 DZ-2为参照，屈服荷载提高幅度为－34.7%和 －45.3%，而极限荷载提高幅度为－33.2%和－52.2%;箍筋屈服时墩顶位移的增幅分别为26.8%和107.3%，极限位移的增幅为29.5%和44.8%。

由图7(b)、7(c)可见，各墩柱箍筋应力、混凝土应力随柱高度增加而发展加快，亦先达到破坏。

说明墩柱高度增加，柔度增大，墩顶位移亦增大，但抗剪能力降低，过柔的墩柱在地震中发生剪切的可能性增大，宜通过采取措施加强柱的刚度。

图7 柱高度对墩柱抗剪性能的影响

3 结论

1)混凝土强度对抗剪性能有很大影响，随其增大，墩柱抗剪承载力和变形能力均有所提高，墩柱设计中应适当提高其混凝土强度。

2)墩柱轴压比应适当，过大的轴压比会对墩柱的抗剪承载力造成不利影响，使其抗剪承载力降低，延性变差。大轴压比的墩柱可通过增大截面积的方法，来降低轴压比，改善柱的延性。

3)增大配箍率可增加墩柱剪切破坏时的屈服荷载和变形，但对极限荷载和变形改变不大，采用增大配箍率的加固方法，虽然可以提高其屈服荷载和变形能力，但极限承载力及变形性能的改善不会很大。

4)随墩柱高度增加，其柔度增加，墩顶位移增大，但抗剪能力降低，地震中发生剪切破坏的可能性增大，墩柱设计不宜过柔，已有墩柱应采取措施加强其刚度。

[1] 熊文林，蔡向阳.汶川大地震棉广高速桥梁震害分析［J］.华中科技大学学报(城市科学版)，2009，26(1):119-122.

[2] 王东升，郭迅，孙治国，等.汶川大地震公路桥梁震害初步调查［J］.地震工程与工程振动，2009，29(3):84-94.

[3] 李鸿晶，陆鸣，温增平，等.汶川地震桥梁震害的特征［J］.南京工业大学学报(自然科学版)，2009，31(1):24-29.

[4] 黄承逵，曲福来，徐士弢.钢筋混凝土不等肢异形柱抗剪承载力研究［J］. 工程力学，2009，26(5):197-201.

[5] 李俊华，王新堂，薛建阳.型钢高强混凝土短柱的抗剪机理与抗剪承载力［J］. 工程力学，2008，25(4):191-199.

[6] 罗素蓉，郑建岚，郑作樵.钢纤维钢筋混凝土柱的抗剪承载力计算方法［J］. 工程力学，2002，19(6):78-81.

[7] 管品武，邹银生，刘立新.反复荷载下钢筋混凝土框架柱抗剪承载力分析［J］.世界地震工程，2000，16(2):52-56.

[8] XIAO Y，WU H.Compressive behavior of concrete cylinders confined by carbon fiber composite jackets［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，ASCE，2000，12(2):139-146.

[9] 胡巧玲.跨线桥墩柱病害原因分析与加固效果［J］.铁道建筑，2009(3):100-103.

[10] 肖明文，刘伟哲.新建铁路桥墩病害形成原因分析及其劣化评定标准的探讨［J］.铁道建筑，2008(2):28-30.

[11] 卢炜，李承君.大秦重载铁路既有中高圆形桥墩加固方案的研究［J］.铁道建筑，2008(4):17-19.