基于抗剪能力的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究

基于抗剪能力的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究

0钢筋混凝土桥墩破坏模式的识别根据现场分析和实验研究，钢筋混凝土结构及其结构在地震作用下表现出不同的破坏模式，不同的破坏模式在抗疲劳效果上表现出很大的差异。这些破坏模式一般可以归为3类,即弯曲破坏模式、弯剪破坏模式和剪切破坏模式。目前对于钢筋混凝土结构及其构件破坏模式只是定性分类,各国规范中都是通过加强构造细节来保证钢筋混凝土结构及其构件破坏时为延性弯曲破坏,避免脆性剪切破坏。然而,工程设计人员并不清楚结构及其构件是否按预定的破坏模式发展。因此,为了使工程人员更好地把握结构及其构件在地震中的性能,在工程实践中首先需要对已建和新建结构及其构件的破坏模式进行识别。钢筋混凝土桥墩作为重要的竖向承重构件和水平方向抗力构件,在保证桥梁结构正常运行及震后保障抗震救灾方面发挥了关键作用。在基于性能的抗震设计中,对钢筋混凝土桥墩进行不同地震水准下性能目标的量化已成为实现性能设计的重要环节。然而,不同破坏模式下钢筋混凝土桥墩的性能目标差异很大。因此,钢筋混凝土桥墩破坏模式的识别是实现基于性能抗震设计理论中性能目标量化研究的前提和基础。基于以上原因,本文中通过对影响钢筋混凝土桥墩抗剪需求与能力比值的因素进行相关分析,进而确定不同破坏模式的识别方法。1构件延性分析钢筋混凝土桥墩的破坏模式一般可以分为3类,分别为弯曲破坏模式、弯剪破坏模式和剪切破坏模式。弯曲破坏模式一般包含混凝土剥落、纵向受力钢筋屈曲、混凝土被压溃3个部分。在弯曲破坏模式中,纵向受力钢筋屈服发生在构件达到极限变形能力之前。以弯曲破坏为主的钢筋混凝土桥墩具有塑性转动能力较高、位移延性系数大、最大水平抗力小于非延性构件抗剪强度的特点。剪切破坏模式发生在纵向受力钢筋屈服之前,构件破坏时位移小于其屈服位移能力。剪切破坏属于脆性破坏,一般应在工程中避免发生该类破坏。混凝土的剪力传递、沿弯曲-剪切斜裂缝的骨料咬合程度、遭受轴向力后的拱式反应以及箍筋的水平连接作用产生的桁架机制等是影响钢筋混凝土剪切强度和破坏模式的主要因素。弯剪破坏模式介于弯曲破坏和剪切破坏之间,纵向受力钢筋屈服后,混凝土因开裂等因素导致有效抗剪截面积减少、抗剪承载能力退化。钢筋混凝土桥墩发生弯剪破坏前,构件表现出一定的延性耗能能力。图1为3种破坏模式的理论定义及抗剪强度与延性之间的关系。图1中,V为构件的剪力,μ为位移延性系数。从图1可以看出,构件的抗剪强度随着位移延性系数的增加而变小。当对应于抗弯强度的水平地震力小于残余抗剪强度时,构件发生延性弯曲破坏;当对应于抗弯强度的水平地震力大于初始抗剪强度时,构件发生脆性剪切破坏;当对应于抗弯强度的水平地震力在初始抗剪强度与残余抗剪强度之间时,构件发生具有一定延性能力的弯剪破坏。2钢筋混凝土桥墩试验研究在基于性能抗震设计中,对钢筋混凝土桥墩进行不同地震水准下性能目标的量化已成为实现性能设计的重要环节。为了量化钢筋混凝土桥墩在不同地震水准下的性能目标,首先需要将钢筋混凝土桥墩的破坏模式进行识别。本文中对钢筋混凝土桥墩破坏模式进行识别的试验数据主要来自美国华盛顿大学依托太平洋地震研究中心收集整理的钢筋混凝土桥墩的试验数据库(UW-PEERDatabase)、日本川岛一彦地震工程实验室对钢筋混凝土桥墩所做的试验研究数据库和笔者收集的部分国家钢筋混凝土桥墩试验数据。对钢筋混凝土桥墩进行破坏模式识别时,所选择试件满足如下条件1.2≤a/h0≤7.00.1≤s/h0≤1.215MPa≤f′c≤50MPa300MPa≤fy≤600MPa1.0%≤ρl≤4.0%235MPa≤fyv≤616MPa0.10%≤ρsv≤2.66%0≤P/(Agf′c)≤0.8⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪式中:a/h0为剪跨比,a为构件的剪跨;s/h0为规则化的箍筋间距,h0为构件截面的有效高度,s为箍筋的间距;f′c为混凝土抗压强度;fy为纵筋屈服强度;ρl为配筋率;fyv为箍筋屈服强度;ρsv为配箍率;P/(Agf′c)为轴压比,P为轴向压力,Ag为构件的截面面积。3构件破坏模式的能力已有的研究表明:塑性铰区截面剪力需求与截面抗剪能力之间的关系是判别构件破坏模式的重要依据。因此,本文中通过比较塑性铰区截面的抗剪需求与截面的抗剪能力对钢筋混凝土桥墩破坏模式进行识别。3.1钢筋混凝土桥墩截面弯矩刚度分析对于钢筋混凝土桥墩塑性铰区截面的抗剪需求,本文中通过公式Vp=Mmax/a来确定。其中,Vp为构件的最大剪力设计值;Mmax为截面抗弯能力的最大弯矩值,可通过构件截面弯矩曲率分析确定。本文中应用USC-RC软件实现钢筋混凝土桥墩截面弯矩曲率分析。在分析过程中材料对象采用基于Mander-Priestly-Park的约束混凝土模型和基于USC-RC的钢筋模型;截面对象采用细化的纤维模型。3.2调整截面延性系数尽管目前各国规范中抗剪能力计算的理论模式不同,但是表达形式几乎都是混凝土、箍筋及轴力3个部分抗剪能力之和,具体可分为以下3类。(1)不考虑截面塑性发展的抗剪计算公式。例如混凝土结构设计规范GB50010—2002中的计算公式。(2)仅考虑截面塑性发展对混凝土抗剪能力的影响,通过调整截面曲率延性系数来降低混凝土抗剪能力,如Priestley提出的计算公式。(3)同时考虑截面塑性发展对混凝土及箍筋抗剪能力的影响。如Sezen等提出的抗剪承载力公式,通过调整构件位移延性系数来降低混凝土及箍筋的抗剪能力。已有研究表明,混凝土对构件抗剪能力的贡献随着位移延性需求的增加而降低。位移延性系数可以表征骨料整体作用的丧失程度,适合作为确定塑性区域内抗剪能力降低的基本参数,随着位移延性系数的增加,构件的抗剪强度得到降低。本文中采用Sezen等提出的公式确定截面抗剪能力,其表达式为Vn=k0.5f′c√a/h01+P0.5Agf´12c−−−−−−−−−−√0.8Ag+kAsvfsvh0s(1)k=⎧⎩⎨⎪⎪1.0μΔ≤21.15−0.075μΔ2<μΔ<60.7μΔ≥6(2)式中:Vn为截面总剪力;k为抗剪强度调整系数;Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积;fsv为箍筋抗拉强度设计值;μΔ为位移延性系数。3.3破坏模式方法的比较Zhu建议,当Vp/Vn≥1.0时,钢筋混凝土试件发生剪切破坏;当Vp/Vn≤0.7时,钢筋混凝土试件发生弯曲破坏;当0.7<Vp/Vn<1.0时,钢筋混凝土试件发生弯剪破坏。为了科学评价Zhu建议的破坏模式判别方法,本文中采用与Zhu相同的Vp/Vn计算方式,对237个钢筋混凝土桥墩的Vp/Vn值与钢筋混凝土桥墩实际破坏模式之间的关系进行分析,其结果如表1所示。由表1可知,Zhu建议的界定破坏模式方法对于弯曲和弯剪破坏模式有相对较高的离散性。弯曲和弯剪破坏模式分布于Zhu建议的破坏模式分区的3个区段。随着Vp/Vn的增大,弯曲破坏模式发生的概率开始降低而弯剪破坏模式发生的概率开始增大。因此,按Zhu建议的Vp/Vn=0.7和Vp/Vn=1.0作为钢筋混凝土试件弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏的分界点是不够精确的。3.3.1各相关系数检验为了更好地以Vp/Vn作为识别3种破坏模式的界限,应用SPSS软件对影响Vp/Vn值的因素及其影响程度进行相关分析。弯曲、弯剪和剪切破坏试件双变量分析结果如表2所示,表2中ρv为体积配箍率。表2中的显著性(双侧)项为显著性双尾t检验结果,其意义为从样本计算的相关系数r值,是总体相关系数ρ的估计值,从ρ=0(不相关)的总体抽出的样本,其相关系数r不一定为0,因此得到r后必须检验r是否来自ρ=0的总体,以判断两变量间是否存在相关关系。例如,表2中弯曲、弯剪和剪切破坏试件的f′c与Vp/Vn的Pearson相关系数分别为0.044、0.458和0.019,其与Vp/Vn之间的双尾t检验值分别为0.610、0.000和0.915,按显著性水准α=0.05,认为弯曲和剪切破坏试件的f′c与Vp/Vn不相关(双尾t检验值大于0.05),而弯剪破坏试件的f′c与Vp/Vn相关(双尾t检验值小于0.05)。由表2可以看出:在弯曲破坏试件中,a/h0、ρl与Vp/Vn之间相关性最好,其Pearson相关系数分别为-0.543、0.507;在弯剪破坏试件中,f′c、ρvfyv/f′c、ρl、P/(Agf′c)与Vp/Vn之间相关性较好,其Pearson相关系数分别为0.458、-0.449、0.430、-0.409;在剪切破坏试件中,ρl、a/h0与Vp/Vn之间的相关性最好,其Pearson相关系数分别为0.468和-0.451。3.3.2偏相关分析结果由于f′c、ρl、ρv、s/h0、a/h0、P/(Agf′c)、ρlfy/f′c、ρvfyv/f′c与Vp/Vn是相互作用、相互影响的,仅考虑单个因素与Vp/Vn之间的相关性不足以说明这些影响因素与Vp/Vn之间真实的相关关系。因此,采用偏相关分析研究在其他因素的影响剔除后,两者之间的相关程度,即控制了其他一个或多个变量的影响下,计算2个变量的相关性。弯曲、弯剪和剪切破坏试件偏相关分析的结果如表3所示。表3中弯曲破坏试件的f′c与Vp/Vn的Pearson偏相关系数为-0.172,双尾t检验值为0.049,其表征在控制了ρl、ρv、s/h0、a/h0、ρlfy/f′c、ρvfyv/f′c变量的影响下,f′c与Vp/Vn的Pearson偏相关系数为-0.172,双尾t检验值为0.049。其他影响因素的Pearson偏相关系数和双尾t检验值的意义与f′c相同。由表3可以看出,弯曲破坏试件的各种影响因素中,ρl在控制了其他影响因素影响下与Vp/Vn相关性最好,其Pearson偏相关系数为0.472;弯剪破坏试件的各种影响因素中,ρvfyv/f′c在控制了其他影响因素影响下与Vp/Vn相关性最好,其Pearson偏相关系数为-0.448;剪切破坏试件的各种影响因素中,ρvfyv/f′c在控制了其他影响因素影响下与Vp/Vn相关性最好,其Pearson偏相关系数为-0.399,a/h0在控制了其他因素影响下与Vp/Vn相关性仅次于ρvfyv/f′c,其Pearson偏相关系数为-0.381。3.3.3弯曲破坏模式多因子分析从影响因素的双变量相关分析和偏相关分析可以看出:在双变量相关分析与偏相关分析中,各影响因素与Vp/Vn之间的相关性大小在弯曲破坏试件、弯剪破坏试件和剪切破坏试件中的趋势基本一致,但偏相关分析的结果相对双变量相关分析的结果偏小,即相应的影响因素与Vp/Vn之间的相关度低。在弯曲破坏试件中,相对其他5个影响因素,ρl、a/h0与Vp/Vn之间相关程度高。表4为弯曲破坏试件ρl和a/h0的参数统计。由于ρl与Vp/Vn之间是正相关,a/h0与Vp/Vn之间是负相关。因此,按表4中弯曲破坏试件ρl和a/h0的参数统计,取ρl的置信上限2.173%作为弯曲破坏试件ρl的上限值,取a/h0的置信下限3.880作为弯曲破坏试件a/h0的下限值,由此来确定弯曲破坏模式的边界值。图2为弯曲破坏试件中考虑了主要影响因素ρl和a/h0的Vp/Vn分布。在图2中,条件1表示仅考虑ρl,取ρl的置信上限2.173%作为弯曲破坏试件的ρl上限值时Vp/Vn的分布;条件2表示同时考虑ρl和a/h0,分别取2.173%和3.880作为ρl的上限值、a/h0的下限值时Vp/Vn的分布;条件3表示仅考虑a/h0,取a/h0的置信下限3.880作为弯曲破坏试件a/h0下限值时Vp/Vn的分布。从图2可以看出,当只考虑ρl,取其置信上限2.173%作为弯曲破坏试件ρl的上限值时,Vp/Vn>0.7弯曲破坏试件占满足ρl限制条件弯曲破坏试件的26.09%;当只考虑a/h0,取其置信下限3.880作为弯曲破坏试件a/h0的下限值时,Vp/Vn>0.7弯曲破坏试件占满足a/h0限制条件弯曲破坏试件的21.25%;当同时考虑ρl和a/h0这2个主要影响因素,取置信上限2.173%和置信下限3.880分别作为ρl的上限值和a/h0的下限值时,Vp/Vn>0.7弯曲破坏试件占满足ρl和a/h0限制条件弯曲破坏试件的10.34%。从上面的比较可知,在弯曲破坏试件中同时考虑ρl和a/h0,分别以2.173%作为ρl的上限值,以3.880作为a/h0的下限值,以Vp/Vn=0.7作为钢筋混凝土试件弯曲破坏的分界点是合理的。同时满足2个限制条件的弯曲破坏试件中,10.34%钢筋混凝土试件的Vp/Vn>0.7可能是由于其他次要影响因素造成的,这也说明本文中前面的相关分析是合理的,弯曲破坏试件的Vp/Vn还受ρlfy/f′c、ρvfyv/f′c和f′c因素的影响,不过这些因素的影响相对较弱。从影响因素的双变量分析和偏相关分析中发现,弯剪和剪切破坏试件的ρvfyv/f′c、a/h0与Vp/Vn之间有较强的相关性。表5为弯剪破坏试件和剪切破坏试件ρvfyv/f′c和a/h0的参数统计。从表5可以看出,弯剪破坏试件和剪切破坏试件的ρvfyv/f′c均值、置信上下限以及分布都相近,以ρvfyv/f′c作为量化指标不能判别弯剪和剪切破坏模式;弯剪破坏试件和剪切破坏试件的a/h0均值、置信上下限以及分布差别较大,因此,可以用a/h0作为量化指标来判别弯剪和剪切破坏模式。本文中取剪切破坏试件a/h0的置信上限1.865作为弯剪破坏模式和剪切破坏模式的分界点。图3为a/h0对弯剪破坏试件和剪切破坏试件的影响。从图3可以看出,以剪切破坏试件a/h0的置信上限1.865作为弯剪破坏模式和剪切破坏模式的分界点时,a/