提高混凝土桥墩的抗震性能的若干问题

提高混凝土桥墩的抗震性能的若干问题摘要：强烈地震作用下，高强箍筋和改善钢筋混凝土短柱对保证高强混凝土柱的抗震能力具有重要意义。为研究高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震性能，对国内外进行的混凝土抗压强度在40~112MPa、箍筋屈服强度在400~1569MPa的混凝土柱的抗震拟静力试验结果进行广泛总结，得出一个广泛的结论为，对于承受较高轴压的高强混凝土柱，通过合理配置高强箍筋，是可以充分保证其延性和耗能能力的；而对于承受较低轴压的高强混凝土柱，只要箍筋间距满足要求，使用高强箍筋一般能保证其延性抗震性能。同时，通过改善钢筋混凝土短柱的措施，也可以使短柱的抗震性能显著提高。关键词：钢筋混凝土；短柱；高强箍筋；抗震性能引言现代土木工程结构向大跨、高耸、重载及承受恶劣环境的方向发展，推动了高强混凝土在现代土木工程中的应用。在建筑结构的框架柱或桥墩中，与普通强度钢筋混凝土墩柱相比，高强混凝土柱的主要优点在于：①增大结构强度和刚度；②更易于实现“强柱弱梁”的设计思想；③由于高强混凝土早期强度较高，加快了施工进度；④减少了对钢筋锚固长度要求；⑤减少截面尺寸，增加下部净空；⑥提高耐久性，这一点对更易于遭受腐蚀的桥墩来说尤为重要。高强混凝土的脆性对墩柱结构的延性和耗能能力产生较大影响，特别是当其承受较大轴压时，使用普通强度的约束箍筋，为满足延性抗震要求而需要的配箍率较高，造成箍筋配置太密以至于无法施工，大大限制了高强混凝土结构在强震区的使用。而采用高强箍筋以减少配箍率，对柱形成有效约束并提高高强混凝土柱的延性抗震性能，为高强混凝土结构在强震区的推广应用提供了新的解决途径。在美国，强度达113.9MPa的超高强混凝土已经在西海岸震区使用，高层建筑柱使用强度达100MPa以上的混凝土已屡见不鲜。日本建设省在1988~1993年开展了题为“采用高强度混凝土和钢筋开发先进的钢筋混凝土建筑”的5年全国性研究项目，其目的在于生产出抗压强度在30~120MPa的混凝土，以及屈服强度在400~1200MPa的高强度钢筋，并在开发新的钢筋混凝土建筑时使用这些材料。在我国，早期如清华大学、大连理工大学，近期如沈阳建筑大学等高校也对高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震性能进行了研究。有所不同的是，清华大学和大连理工大学使用的高强箍筋主要为冷轧带肋钢筋，屈服强度约在550~750MPa；而沈阳建筑大学阎石教授主要采用屈服强度为1300MPa左右的高强预应力棒作为横向约束箍筋。我国台湾学者结合岛内“高速铁路计划”，对高强箍筋约束高强混凝土空心截面桥墩的抗震性能也进行了较多研究。通过国内外钢筋混凝土柱（桥墩）抗震性能的研究文献发现，即使对于普通强度的混凝土柱，国外也较多采用屈服强度在400MPa以上的高强钢筋配箍，我国台湾学者在近期关于空心截面桥墩抗震性能的研究中，使用的箍筋强度也多在400MPa以上。而目前我国大陆仍较多采用强度较低的HPB235级钢筋作为箍筋，总体上比国外低一个强度等级，难以有效保证高强混凝土墩柱在高轴压下的抗震安全，同时，低强钢筋也含有较多的不经济因素。本文在总结国内外相关文献的基础上，对采用高强箍筋约束的高强混凝土柱（桥墩）的抗震性能进行介绍，以期促进这一技术在我国的应用和发展。需要说明的，本文所讨论的高强箍筋约束高强混凝土柱，是指混凝土圆柱体抗压强度大于40MPa、箍筋屈服强度大于400MPa的高强混凝土柱，作者搜集了137根高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震拟静力试验结果（混凝土圆柱体抗压强度范围为40~112MPa，箍筋屈服强度范围为400~1569MPa），并总结了高强混凝土柱（桥墩）矩形应力图、抗剪强度、约束箍筋用量及延性等抗震性能的研究结论。每个柱的混凝土强度与箍筋强度的关系如图1所示。本文中，如无特殊说明，混凝土强度均指圆柱体抗压强度，箍筋强度均为屈服强度。图1混凝土强度与箍筋强度的关系1高强箍筋约束高强混凝土柱压弯构件的矩形应力图我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）、美国ACI318—05规范以及新西兰规范NZS3101—1995均采用等效矩形应力图计算混凝土结构在压弯作用下的抗弯承载力。在矩形应力图中，主要有两个参数α1和β1，对混凝土柱抗弯承载力的计算起重要作用。我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）中，矩形应力图的应力值为混凝土轴心抗压强度设计值乘以α1，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；参数β1为矩形应力图高度与混凝土受压区高度的比值，当混凝土强度等级不超过C50时，β1取为0.8，当混凝土强度等级为C80时，β1取为0.74，其间按线性内插法确定。ACI318—05规范的矩形应力图，参数α1为矩形应力图中的应力与混凝土圆柱体抗压强度的比值，取为0.85，参数β1为矩形应力图高度与混凝土受压区高度的比值，当抗压强度fc′在17~28MPa时，取0.85，当fc′超过28MPa，抗压强度每增加7MPa，β1减少0.05，但不小于0.65。新西兰规范NZS3101—1995适用的混凝土抗压强度范围最高为70~100MPa：fc′>55MPa时，α1=0.85-0.004（fc′-55）≥0.75（1）fc′>30MPa时，β1=0.85-0.008（fc′-30）≥0.65（2）各国规范规定的矩形应力图主要基于普通强度的混凝土柱压弯试验结果得到，随着高强及超高强混凝土的广泛应用，这些公式能否应用于高强混凝土柱的正截面承载力计算值得探讨。近期的研究结果表明，当混凝土强度较低时，按照ACI318—05规范及新西兰NZS3101—1995规范计算的柱抗弯强度偏于安全，但是对于承受较大轴压的高强混凝土柱，计算结果较大，偏于不安全。我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）及叶列平教授对高强混凝土矩形应力图的规定也仅限于C80及以下强度的混凝土构件，对于C80以上混凝土压弯构件的矩形应力图则没有说明。基于此，不少学者根据高强混凝土柱的压弯试验结果对矩形应力图进行修正，使其适用于高强混凝土压弯柱的正截面承载力计算。Azizinamini等人通过对屈服强度在454~753MPa之间的高强箍筋约束高强混凝土柱的拟静力试验发现，当混凝土抗压强度小于55MPa时，按ACI318规范计算的桥墩抗弯强度小于试验值，偏于安全；当混凝土强度大于97MPa后，按ACI318规范计算的桥墩抗弯强度偏大，可能不安全。并建议，当混凝土抗压强度大于69MPa时，对α1值进行修正：α1=0.85-0.05fc′-696.9!"≥0.60（3）Attard等基于概率分析结果，提出了适用于高强混凝土柱的双参数矩形应力图，用于抗压强度在20~100MPa之间的混凝土：α1=k1k3=1.2932（fc′）-0.0998≥0.71（4）β1=k2=1.0948（fc′）-0.091≥0.67（5）2短柱的破坏形态短柱破坏形态与长柱明显不同,其刚度大,变形能力和耗能性能差,其破坏形式一般分为剪切破坏和粘结破坏。破坏时斜向交叉裂缝贯通,柱的强度急剧下降,发生沿斜截面滑移、混凝土严重剥落等脆性破坏。因此,当建筑物遭遇该地区设防烈度或高于该地区设防烈度的地震作用时,容易形成薄弱环节而造成结构破坏甚至倒塌。3改善短柱抗震性能的措施国内外学者从不同角度,针对改善短柱的抗震性能问题进行了研究:(1)采用分体柱技术实现变“短柱”为“长柱”。在地震作用下,短柱常因剪坏而失效,其抗弯强度不能完全发挥。分体柱技术就是采用隔板(石膏板、纤维板或竹胶板等)将短柱分为2或4个柱肢,并分别配筋(见图4),从而削弱短柱的抗弯强度,使抗弯强度相应于或低于抗剪强度。这样,在地震作用时,柱子将首先达到抗弯强度,呈现延性的破坏形态。研究结果表明,分体柱虽然使构件的抗弯承载力有所降低,但抗剪承载力基本不变,且构件的变形能力和延性均得到显著提高,其破坏形态由剪切型转化为弯曲型,改善了短柱尤其是剪跨比λ<1.5的超短柱的抗震性能。分体柱技术对改善短柱的抗震性能有着良好的效果。(2)笔者从提高短柱的受剪承载力改善其抗震性能的角度出发,提出了在异形截面短柱中配交叉钢筋的抗震措施,明显提高了异形截面短柱的抗震性能。(3)采用型钢混凝土短柱。型钢混凝土柱由型钢和外包混凝土组成,型钢通常采用由钢板焊接拼制或轧制而成,其型钢截面通常采用矩形截面和十字形截面等,如图5所示。型钢混凝土可充分发挥钢和混凝土两种材料的优点,与钢筋混凝土结构相比,由于配置了型钢,使柱的竖向和水平承载力大大提高,从而有效减小了柱的截面尺寸;型钢翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用,使混凝土的延性提高,加上型钢本身良好的塑性,使短柱改善了延性,提高了耗能能力。(4)采用钢纤维混凝土。这种思想是从改善柱子的材料性能入手,通过在普通混凝土中掺入钢纤维,使得混凝土中的钢纤维与混凝土共同承担荷载,使混凝土的材料特性向着钢材靠拢。钢纤维混凝土具有较高的抗拉强度、抗疲劳、高韧性等性能,从而大大改善了混凝土柱的延性,提高了承载力,有效地改善了短柱的抗震性能。(5)加强对混凝土的约束作用,使混凝土的抗压承载力得到大幅提高,从而防止构件在较大剪压比情况下发生剪压破坏以改善短柱的抗震性能。目前,增强混凝土约束作用的措施主要有:增强箍筋约束力,国内外试验均表明,加强箍筋对混凝土的约束,可提高柱子的极限变形角,增强其抗剪承载力,这也符合高层建筑框架柱应满足剪压比限值和“强剪弱弯”的要求;采用钢管混凝土,钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形管或方形钢管内而形成的组合构件,由于钢管内混凝土受到钢管的侧向约束使得混凝土处于三向受压状态,从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到提高,显著改善了短柱的延性。(6)使用碳纤维布约束混凝土。这种方法是用碳纤维布从外围对钢筋混凝土柱进行横向包裹。由于碳纤维布的抗拉强度和弹性模量都很高,对混凝土的约束作用明显,提高了混凝土的极限压应变,推迟了受压区混凝土被压碎的时间,从而可充分发挥纵筋的塑性变形性能,改善了钢筋混凝土短柱的延性。4结论大力推广高强钢筋高强混凝土结构在土木工程中的应用是提高我国建设水平的重要方向，高强箍筋约束高强混凝土柱抗震性能的研究打破了高轴压及高强混凝土柱在震区使用的禁区。目前我国在这方面的研究基础较为薄弱，大大限制了高强混凝土结构在我国的使用，本文力图对国内外所进行的高强箍筋约束高强混凝土抗震性能的研究成果进行较为全面的介绍，主要获得如下认识：（1）由于高强混凝土的应力－应变关系曲线同普通强度混凝土不同，国内外应用较为广泛的钢筋混凝土柱矩形应力图及抗剪承载力计算公式在计算高强混凝土柱时结果可能不安全或过于保守，对其应进行修正，使其能够适用于高强箍筋约束高强混凝土柱的抗弯、抗剪承载力计算。（2）ACI318及NZS3101规范为保证钢筋混凝土柱延性而规定的最低约束箍筋用量计算公式，无法保证高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震安全，甚至根本不适用于高强箍筋约束的高强混凝土柱，应针对其特点进行专门研究。（3）即使在轴压比大于0.6的较高轴压下，高强箍筋对高强混凝土柱仍能够提供有效约束，充分保证了高强混凝土柱的延性和耗能能力。（4）对于轴压较低的高强混凝土柱，因其延性抗震性能易于保证，不建议使用强度过高的约束箍筋，同时，对箍筋最小间距进行规定从而保证反复荷载下纵筋不过早屈曲，对提高高强混凝土柱的延性具有重要意义。参考文献［1］陈肇元.高强与高性能混凝土的发展及应用［J］.土木工程学报，1997，:［2］徐有邻.我国混凝土结构用钢筋的现状及发展［J］.土木工程学报，1999，［3］青山博之.现代高层钢筋混凝土结构设计［M］.张川，译.重庆:重庆大学出版社，2006［4］王浩，张惠英.LL550冷轧带肋箍筋高强混凝土柱抗震性能的试验研究［J］.建筑结构，2002［5］李蓬.冷轧带肋箍筋高强混凝土压弯构件抗震性能的试验研究［D］.北京:清华大学，2000箍率的试验研究［J］.建筑结构，1999[6]GB50011-2001,建筑抗震设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