基于peer柱抗震性能試驗(yàn)的鋼筋混凝土橋墩地震響應(yīng)研究

基于peer柱抗震性能試驗(yàn)的鋼筋混凝土橋墩地震響應(yīng)研究

1橋墩變形能力與約束降壓器用量關(guān)系為確保鋼筋混凝土橋墩的適應(yīng)性抗疲勞緊急配置足夠的鋼筋，是保證鋼筋混凝土橋墩抗彎性和抗彎性的重要因素。由于抗彎和抗彎性的問題，首次建造的鋼筋混凝土橋墩的配套率明顯較低。為此,國內(nèi)、外橋梁抗震規(guī)范均分別從塑性鉸區(qū)最低約束箍筋用量和構(gòu)造措施兩個方面對箍筋配置進(jìn)行了規(guī)定,以保證鋼筋混凝土橋墩具備足夠的地震變形能力。我國橋梁延性抗震研究起步較晚,原《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004-89)(簡稱“89規(guī)范”)中采用箍筋間距(s≤100mm)和箍筋直徑(dv≥8mm)對圓形截面橋墩約束箍筋用量進(jìn)行規(guī)定,采用0.3%作為矩形截面橋墩的最小配箍率,考慮因素比較單一且無明顯理論依據(jù)。2008年汶川地震后施行的《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)(簡稱“08細(xì)則”)中給出了考慮軸壓比、縱筋配筋率、混凝土和箍筋強(qiáng)度等影響的橋墩塑性鉸區(qū)最低約束箍筋用量計算公式,該公式為卓衛(wèi)東等在25個橋墩(柱)試件基礎(chǔ)上建立的回歸公式,并采用位移延性系數(shù)作為橋墩變形能力指標(biāo)。美國AASHTO規(guī)范采用ACI318-08公式的形式,考慮截面尺寸、混凝土和箍筋強(qiáng)度等影響因素,計算橋墩塑性鉸區(qū)最低約束箍筋用量;美國Caltrans橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中的計算公式增加了軸力的影響。歐洲Eurocode8抗震規(guī)范主要考慮了軸壓比及曲率延性系數(shù)的影響,分別給出延性(彎曲破壞)橋墩和有限延性(彎剪破壞)橋墩的最低約束箍筋用量計算公式。隨著基于性能(位移)抗震設(shè)計理論的發(fā)展,學(xué)者們越來越多地關(guān)注鋼筋混凝土橋墩地震變形能力與約束箍筋用量間的量化關(guān)系。這些研究工作較多是借助美國PEER柱抗震性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(PEER-StructuralPerformanceDatabase),主要基于對試件彎曲破壞試驗(yàn)的回歸分析獲得的柱極限位移角(或位移延性系數(shù))與其配箍特征、軸壓比等參數(shù)的量化關(guān)系。目前研究表明位移延性系數(shù)受橋墩剪跨比的影響較大,采用塑性鉸區(qū)曲率延性系數(shù)作為橋墩變形能力指標(biāo)更為合理,其次是橋墩極限位移角。孫治國等分析表明曲率延性系數(shù)和極限位移角兩者作為橋墩變形能力指標(biāo)對于具有不同剪跨比的橋墩具有較好的一致性;并且針對國內(nèi)規(guī)范發(fā)展,分別以2%和3%極限位移角為延性目標(biāo)(前者適用于地震危險水平較低地區(qū),而后者適用于地震危險水平較高地區(qū)),考慮軸壓比和縱筋配筋率等的影響,建立了橋墩塑性鉸區(qū)約束箍筋用量計算公式。為給確定滿足鋼筋混凝土墩柱變形能力要求的約束箍筋用量提供參考,本文主要基于PEER柱抗震性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中的彎剪破壞試件,通過統(tǒng)計分析評價“89規(guī)范”和“08細(xì)則”中最低約束箍筋用量對保證鋼筋混凝土橋墩變形能力的可靠性,并與美國、歐洲主要橋梁抗震設(shè)計規(guī)范和孫治國等的建議公式進(jìn)行比較,然后建立彎剪破壞橋墩極限位移角計算公式。2彎曲修復(fù)和破壞橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)及變形能力的識別2.1彎剪破壞墩柱試件分析規(guī)范及建議公式通常隱含假定當(dāng)橋墩滿足最低約束箍筋用量時,將發(fā)生延性彎曲破壞。實(shí)際上,若某試件不滿足其規(guī)定的配箍要求,雖發(fā)生了彎剪破壞,但只要其變形能力達(dá)到了相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn),則認(rèn)為是工程可接受的;若某試件滿足其規(guī)定的配箍要求但發(fā)生了彎剪破壞,且變形能力不能達(dá)到評價標(biāo)準(zhǔn),則認(rèn)為是危險的。為此,借助美國PEER柱抗震性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,整理了35根彎剪破壞墩柱試件的擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中矩形截面試件16根,圓形截面試件19根。試件參數(shù)范圍:21MPa≤混凝土抗壓強(qiáng)度f′c≤86MPa;240MPa≤縱筋屈服強(qiáng)度fy≤510MPa;0.52%≤縱筋配筋率ρt≤5.21%;240MPa≤箍筋屈服強(qiáng)度fyt≤691.5MPa;0≤軸壓比ηk≤0.9;1≤剪跨比λ≤3.2。2.2變形能力的計算PEER數(shù)據(jù)庫僅有破壞方式分類(彎曲、彎剪和剪切)和荷載~位移滯回曲線數(shù)據(jù),因此需要識別發(fā)生彎剪破壞橋墩的變形能力。本文以橋墩極限位移角Ru評價橋墩的變形能力,定義為橋墩極限位移與墩高的比值(%),即Ru=(Δu/L)×100%。本文彎剪破壞橋墩極限位移識別按文獻(xiàn)建議的方法:鋼筋混凝土橋墩發(fā)生彎曲屈服后,當(dāng)反復(fù)施加同一位移幅值δ時,若其末次水平荷載(一般循環(huán)次數(shù)大于等于3)小于同位移幅值下最大荷載值的85%時,即Fδ,end≤0.85Fδ,max,則定義首次施加位移幅值δ所對應(yīng)的水平荷載(最大荷載)為彎剪破壞橋墩試件的抗剪強(qiáng)度,與其對應(yīng)的位移為極限位移Δu,柱試件滯回曲線見圖1。3配合性驗(yàn)證分析將發(fā)生彎剪破壞的各橋墩試件實(shí)際配箍與我國“89規(guī)范”和“08細(xì)則”、美國AASHTOLRFD2007和Caltrans、歐洲Eurocode8規(guī)范以及孫治國公式要求的配箍量進(jìn)行比較,并將配箍比值與試件極限位移角的關(guān)系進(jìn)行對比分析,以評價各規(guī)范或公式規(guī)定的約束箍筋用量對保證鋼筋混凝土橋墩變形能力的可靠性。3.1配重式結(jié)構(gòu)參數(shù)對試件配重特性的影響以極限位移角Ru≥3%作為橋墩變形能力評價標(biāo)準(zhǔn)(適用于高地震危險區(qū))。定義橋墩實(shí)際配箍與各規(guī)范及公式的要求配箍比值為β,按截面形狀和軸壓比ηk將各個試件予以區(qū)分,見圖2。以Ru=3%及β=1為限,將圖2中的試件劃分為4個區(qū)。理論上,假定當(dāng)滿足最低配箍要求時,橋墩試件僅發(fā)生彎曲破壞且變形能力足夠。圖2中,A區(qū)的試件配箍不滿足要求而極限位移角大于3%,表明雖然試件發(fā)生了彎剪破壞,但其變形能力達(dá)到了相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn),說明規(guī)范及公式的保守及可接受性;B區(qū)的試件配箍滿足要求而極限位移角小于3%,表明試件不僅發(fā)生彎剪破壞且變形不滿足評價標(biāo)準(zhǔn),說明規(guī)范及公式的危險性。由圖2可知:(1)對于我國原“89規(guī)范”,較多軸壓比大于0.2的試件出現(xiàn)在B區(qū)中,矩形和圓形截面試件數(shù)量占所有試件總數(shù)的比例分別達(dá)到了37.5%和36.8%;A區(qū)只有1個圓形截面試件并為軸壓比小于0.2的試件。說明以3%極限位移角為評價目標(biāo),“89規(guī)范”對矩形截面和圓形截面試件的配箍要求都將偏于不安全,對高軸壓比情況尤甚。(2)對于我國現(xiàn)行“08細(xì)則”,雖然試件出現(xiàn)在B區(qū)的比例明顯下降(矩形和圓形截面試件比例分別為21%和25%),但B區(qū)數(shù)據(jù)比例仍略高且大多數(shù)仍為軸壓比大于0.2的試件。“08細(xì)則”中試件(矩形)出現(xiàn)在B區(qū)的比例與美國Caltrans規(guī)范相比略高,但美國Caltrans規(guī)范B區(qū)試件更多位于分界線附近,且美國Caltrans規(guī)范對圓形截面試件表現(xiàn)出較大的安全性(沒有圓形試件出現(xiàn)于B區(qū))。(3)綜合比較所有規(guī)范,最低約束箍筋用量對保證橋墩變形能力方面,歐洲Eurocode8規(guī)范最為可靠,其位于B區(qū)試件僅占10%左右,而A區(qū)試件所占比例達(dá)到了30%~40%。對于孫治國建議的公式,矩形截面試件中有2根位于B區(qū)(12.5%),4根位于A區(qū)(25%);圓形截面試件中有2根位于B區(qū)(10.5%),1根位于A區(qū)(5.26%),僅就位于B區(qū)的試件的比例而言與Eurocode8規(guī)范相當(dāng)。(4)美國AASHTOLRFD2007規(guī)范對圓形截面試件表現(xiàn)出較大的保守性,而對于矩形截面試件又偏于危險。3.2截面試件配重以極限位移角Ru≥2%作為橋墩變形能力評價標(biāo)準(zhǔn)(適用于低地震危險區(qū)),試件極限位移角相對于實(shí)際配箍與各規(guī)范及公式配箍要求比值的分布情況見圖3,以Ru=2%及β=1為限,將圖3中的試件劃分為4個區(qū)。由圖3可知:以2%橋墩極限位移角為目標(biāo)進(jìn)行評價時,我國原“89規(guī)范”對矩形截面試件配箍要求仍有偏于危險的趨勢(B區(qū)占25%),但對圓形截面試件配箍要求總體可以接受(B區(qū)占10%);現(xiàn)行“08細(xì)則”無論對何種截面配箍要求都認(rèn)為是合適的,圓形截面橋墩更具優(yōu)勢;孫治國公式仍表現(xiàn)出與歐洲Eurocode8規(guī)范相近的統(tǒng)計結(jié)果及配箍水平;美國Caltrans規(guī)范對保證橋墩變形能力最為可靠,位于B區(qū)矩形截面試件僅占6%,沒有圓形截面試件位于B區(qū)?？傮w而言,各國規(guī)范及公式對不同截面配箍要求基本上都可滿足橋墩2%極限位移角的變形能力,圓形截面橋墩表現(xiàn)出更大的偏安全性,僅美國AASHTOLRFD2007和我國原“89規(guī)范”對矩形截面的配箍要求偏于危險。4彎剪破壞橋墩極限位移角橋墩發(fā)生彎剪破壞仍表現(xiàn)出具有一定的變形能力(有限延性,圖1)。孫治國等整理了234根彎曲破壞矩形截面橋墩的擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)回歸分析初步建立了橋墩極限位移角計算公式。初步分析表明該公式及國內(nèi)學(xué)者建議公式并不適合于彎剪破壞情況,將得到偏于危險的變形能力估計。故以本文收集的35根試件為依據(jù),考慮剪跨比的影響,基于回歸分析獲得彎剪破壞橋墩變形能力估計公式。參考文獻(xiàn)并考慮剪跨比λ的影響,建立橋墩極限位移角回歸公式:式中,ρsv為體積配箍率;f′c為混凝土抗壓強(qiáng)度;fyt為箍筋屈服強(qiáng)度;λ為剪跨比;ηk為軸壓比;ρt為縱筋配筋率;m=fy/(0.85f′c),其中fy為縱筋屈服強(qiáng)度;Ag為橋墩截面面積;Ac為從箍筋外緣計算的橋墩核心面積;A、B、C、D為分析待定參數(shù)。對式(1)進(jìn)行非線性回歸分析,得到橋墩極限位移角的計算公式(50%保證率)為:具有85%保證率的彎剪破壞橋墩極限位移角公式為:式(2)、式(3)計算值和實(shí)測值的比較見圖4。由圖4(a)可知,計算值與實(shí)測值吻合較好,統(tǒng)計相關(guān)系數(shù)R為0.76。由圖4(b)可知,式(3)能基本保證極限位移角的實(shí)測值大于其計算值,說明本文提出的具有85%保證率的彎剪破壞橋墩極限位移角公式可用于預(yù)測地震作用下彎剪破壞橋墩的變形能力。應(yīng)當(dāng)指出,本文建立的橋墩極限位移角公式存在兩方面不足:一是試件數(shù)量仍顯少,二是此公式僅適用于預(yù)測彎剪破壞橋墩的變形能力,計算前需要判別橋墩的破壞方式,判別方法參考文獻(xiàn)。根據(jù)回歸時采用的數(shù)據(jù)范圍,對本文建議的彎剪破壞橋墩極限位移角計算公式的適用范圍作如下限制:20MPa≤混凝土抗壓強(qiáng)度f′c≤80MPa;240MPa≤箍筋屈服強(qiáng)度fyt≤700MPa;240MPa≤縱筋屈服強(qiáng)度fy≤500MPa;0.5%≤縱筋配筋率ρt≤5.0%;0≤軸壓比ηk≤0.9;1≤剪跨比λ≤3。5對高地震危險區(qū)橋墩的配再設(shè)計本文利用PEER柱抗震性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中彎剪破壞試件,通過統(tǒng)計分析評價了橋梁抗震設(shè)計原“89規(guī)范”和最新“08細(xì)則”中最低約束箍筋用量對保證鋼筋混凝土橋墩變形能力的可靠性,并與美國、歐洲主要橋梁抗震設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了對比。研究得到如下結(jié)論:(1)以3%極限位移角為評價目標(biāo)(適用于高地震危險區(qū)),原“89規(guī)范”對矩形截面和圓形截面的配箍要求都將存在較大危險性;現(xiàn)行“08細(xì)則”對不同截面的配箍要求略偏于不安全,對高軸壓比橋墩情況尤甚。(2)以2%極限位移角為評價目標(biāo)(適用于低地震危險區(qū)),除原“89規(guī)范”對矩形截面的配箍要求偏于不安全外,原“89規(guī)范”對于圓形截面和“08細(xì)則”對不同截面均認(rèn)為滿足變形能力要求。(3)孫治國建議的塑性鉸區(qū)配箍公式以不同的設(shè)計極限位移角目標(biāo)相區(qū)分,基本能達(dá)到預(yù)期的變形能力,并且