复杂应力状态下的钢筋混凝土桥墩抗震性能研究

李永斌 马克政 谭金华

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430052； 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

地震会对桥梁墩台等结构造成极其不利的影响，一旦结构受损，还需耗费大量人力、物力进行维护修建。为此，国内外很早就开展了桥梁墩台的抗震研究，并在结构设计中提出了提高桥梁抗震能力的措施。国内研究进度相对较为落后，但仍有部分学者进行了较为深入的研究，比如，对于RC(钢筋混凝土)墩柱在震灾中的压弯、弯剪性能，同济大学和北京工业大学均已完成了较多的研究工作，得到了一些合理的模型用来预测地震作用下的反应。但只有少数学者研究了扭转效应对墩柱的影响。对弯、剪、扭复杂应力状态下的综合研究很少涉及[1-5]。计算机技术的发展使得精确分析桥墩复杂应力状态的破坏过程及其影响因素成为可能，并应在此基础上进一步深入研究桥墩抗震中的设计和加固技术，可以最大程度地发挥桥梁结构的抗震能力。

本文依托工程实例，通过建立桥墩三维有限元仿真模型，真实模拟地震发生时的可能荷载组合，考虑实际工作环境下相应的多维荷载，研究复杂应力状态下桥墩的强度和位移，分析箍筋间距、主筋配筋率、轴压比对抗震性能的影响，并据此给出改进桥墩抗震性能的建议。

1 建立桥墩有限元模型

本项目依托玉湛线高速公路工程，取玉湛线高速公路一工区K87+100.2疏港大道分离桥最高桥墩为原型建立桥墩抗震仿真模型。该桥位于VII度地震区，地震动峰值加速度为0.1g，桥涵上、下部均有抗震设计要求，桥墩主筋和箍筋的设置均需要满足抗震验算要求，并给出抗震设防措施。按照桥墩设计图纸采用ANSYS建立桥墩盖梁、柱的钢筋混凝土三维实体模型。该模型按照设计图纸上的资料，模拟出所有的钢筋，包括主筋、箍筋和螺旋钢筋等，共16 564根钢筋的link8单元和数万混凝土实体单元Solid92，所有钢筋均严格按照设计图纸中不同的截面特性分别进行了定义，钢筋单元和混凝土实体单元间采用面接触完成黏结，仿真模型见图1。

图1 桥墩三维仿真模型

试验同时按照实际工作环境模拟多种组合荷载作用，包括上部结构恒载、活载，以及双向地震荷载，其中地震荷载是通过加速度反应谱将地震惯性力处理成等效水平及竖向地震荷载，与其它荷载按照完全二次方程法进行组合时程加载。支座按照实际简支梁桥墩设计中的较为不利的固定支座考虑，地震波采用EL-Centro波加速度时程曲线，见图2。

图2 EL-Centro波加速度时程曲线

2 桥墩抗震性能分析

桥墩抗震性能具体的影响因素可能有：截面形式、轴压比、箍筋体积配箍率、混凝士强度、保护层厚度、主筋配筋率及横系梁等[6]。本节应用建立的模型分析验算原设计桥墩的地震作用效应，并调整所建立的模型的对应值比较分析结果，分别研究各主要参数对RC桥墩抗震性能和延性水平的影响，主要采用控制变量法对轴压比、配箍率、主筋配筋率的影响进行研究。

2.1 抗剪强度和墩顶位移

桥墩结构的抗震性能指标主要通过桥梁墩顶位移和结构延性指标来表示,可采用混凝土桥墩截面强度或应变来进行定量分析。如果地震中结构强度因其塑性变形的发生而急剧减小，则该结构将会产生严重的损坏或倒塌，受压侧混凝土将经历“抗压屈服、混凝土剥落、混凝土压碎”过程。因而在地震组合荷载作用下墩柱的抗震设计验算需要考虑强度验算和墩顶位移验算。

2.1.1抗剪强度验算

塑性铰区抗剪能力的验算，如果桥墩结构还未进入塑性工作范围，此时桥墩的剪力设计值可直接采用E2地震作用下的计算结果；如果已进入塑性工作范围，则应按下述规定进行剪力设计值的计算[7]。

延性桥墩顺桥向的剪力设计值，计算方法见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

延性桥墩横桥向的剪力设计值，计算方法见式(3)、式(4)。

(3)

(4)

2.1.2墩顶位移验算

按照JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》[8]中6.1.6条规定，E2级地震作用时其有效截面抗弯刚度需按规范规定进行修正；采用计算得到的截面有效刚度计算E2地震作用反应谱下的墩顶位移δ；按照抗震细则中6.7.6条规定修正墩顶位移，获得修正后的墩顶位移。

经过桥梁有限元模拟分析，在上部结构所有荷载、自重和E2地震作用(弹性)组合荷载作用下，该桥梁结构的桥墩应力Sy计算结果见图3。

图3 地震组合荷载工况下桥墩应力Sy(单位：Pa)

如图3所示桥墩应力均满足强度要求。计算得到同荷载作用下的桥墩最大位移值为0.016 m，满足位移要求。

2.2 箍筋间距影响

为研究箍筋间距对RC桥墩抗变形能力的影响，通过更改模型的箍筋间距，建立3种不同箍筋加密程度的RC桥墩有限元墩柱模型。在保证这3种RC墩柱模型的截面面积和形式、轴压比、混凝土强度、保护层厚度和纵筋配筋率等均相同的情况下，对比这3种不同箍筋加密的RC桥墩的抗变形能力。3种模型箍筋间距较原设计模型变化率分别为0.2，0.4，0.6，在此前提下分别获得结构在地震组合荷载作用下的各向应力状态和变形。图4为以箍筋间距变化率0.2时的Z向应力。

图4 间距变化率为0.2时的Z向应力云图(单位：Pa)

当箍筋间距变化率为0.2时，加载地震荷载后Z轴方向最大拉应力出现在墩柱顶部和桥墩底部，为28 299.4 Pa；最大压应力出现在墩柱底部，数值为-179 205 Pa。墩柱从Y轴正向一侧到负向一侧应力由压变拉；最大变形位移出现在墩柱顶部，数值为0.166 mm。同理获得0.4，0.6的对应数据，得到的部分成果见表1。

表1 箍筋间距变化时桥墩地震组合荷载反应

由图4和表1分析可得：不同的箍筋间距对桥墩的受力状态无太大的影响，Y轴最大受拉应力和最大受压应力均集中桥墩底部。增大箍筋间距后墩顶最大变形位移略有减小，对屈服位移影响不大。所以箍筋间距越大，位移延性系数会降低，表明RC桥墩的延性水平会随着箍筋间距的增加而降低。

2.3 主筋配筋率的影响

通过改变配筋率，建立4种不同纵筋配筋率的钢筋混凝土桥墩有限元墩柱模型。在保证4种RC墩柱模型的墩顶荷载、箍筋间距、截面面积和形式、轴压比、混凝土等级,以及保护层厚度等均相同的情况下，对比4种不同纵筋配筋率RC桥墩的抗变形能力。4种模型具体配筋率参数为:配筋率折减原配筋0.2；配筋率增加原配筋0.2；配筋率增加原配筋0.4；配筋率增加原配筋0.6，分别获得结构在地震组合荷载作用下的各向应力状态和变形。图5为以箍筋配筋率变化-0.2时的z向应力，表2为箍筋配箍率变化时桥墩地震组合荷载效应。

图5 箍筋配筋率变化-0.2时的Z向应力云图(单位：Pa)

表2 箍筋配箍率变化时桥墩地震组合荷载效应

由以上的分析结果可知:增大纵筋配筋率，对桥墩加载地震荷载后应力分布和大小均影响不大。桥墩的纵筋配筋率越高，其屈服位移会增大，而墩顶最大位移基本无变化，所以其位移延性系数越小，这说明增大钢筋混凝土桥墩的纵筋配筋率桥墩的延性性能会降低。

同理，对轴压比也采用了控制参数法分别建模进行分析地震组合荷载作用下桥墩的复杂应力状态，比较分析了3组不同墩顶轴压荷载，计算结果综合见表3。

表3 轴压变化时桥墩地震组合荷载效应

从表3计算结果可知：桥墩底部的最大受拉应力和最大受压应力均会随着轴压比的增大而增大，而桥墩的最大位移会随着轴压比的增大而略有减小。故增大轴压比会导致桥墩延性略微下降，破坏时脆性增加，应予以避免。

3 结语

本文以实际工程中的桥墩为原型，基于APDL语言建立桥墩抗震仿真模型，在考虑多向地震组合荷载作用下研究桥墩的压、弯、剪、扭复杂应力响应，并通过非线性地震时程反应分析,对比桥墩墩顶位移反应及弯曲延性程度,进一步采用参数控制法建立多个模型研究了箍筋间距、主筋配筋率、轴压比对抗震强度的影响，进而研究钢筋混凝土桥墩的破坏机理、影响因素和有效的抗震措施。

主要研究结论包括：适当增加墩底抗剪区的箍筋配筋率或减小配筋间距均可有效增大墩底抗震关键段的抗剪强度；在近地面2 m高度范围内增加螺旋箍筋的配筋率可有效增加易损段的弯曲延性，可达到减少震损和降低后期维护成本的目的；主纵筋的增加会减小桥墩的弯曲延性，在桥墩的延性抗震措施中不建议考虑。