鋼筋混凝土橋墩性能量化指標(biāo)研究

鋼筋混凝土橋墩性能量化指標(biāo)研究

0性能抗震設(shè)計(jì)思想根據(jù)地震后的研究，大多數(shù)抗震結(jié)構(gòu)的人員傷亡相對(duì)較小，但巨大的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們的心理能力。研究者意識(shí)到單純地強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)在地震作用下不倒塌或者不發(fā)生嚴(yán)重破壞已不能滿足現(xiàn)代工程抗震需要,因此,基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論被提出并被廣泛認(rèn)可。業(yè)主、政府主管部門、工程建設(shè)者和設(shè)計(jì)者更加關(guān)注結(jié)構(gòu)在不同地震水平作用下應(yīng)具有不同的性能水平和性能目標(biāo)。國外規(guī)范對(duì)性能目標(biāo)和抗震設(shè)計(jì)量化指標(biāo)給出了比較詳細(xì)的規(guī)定,與此同時(shí)中國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)“小震不壞”和“大震不倒”給出了相應(yīng)的變形限值,中國《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》雖在性能設(shè)計(jì)方面較已廢止的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有了較大改進(jìn),即由單水準(zhǔn)設(shè)防、一階段設(shè)計(jì)變?yōu)閮伤疁?zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì),采用E1地震作用下強(qiáng)度驗(yàn)算和E2地震作用下變形驗(yàn)算確保結(jié)構(gòu)抗震性能,然而,缺少能為抗震設(shè)計(jì)采用的更為詳細(xì)的性能目標(biāo)和性能量化指標(biāo)。鑒于橋梁特別是城市橋梁的重要性,在基于性能抗震設(shè)計(jì)思想的發(fā)展過程中對(duì)其提出了更高、更細(xì)致的設(shè)計(jì)要求。然而,相對(duì)于國外橋梁結(jié)構(gòu)和中國建筑結(jié)構(gòu)來說,基于性能抗震設(shè)計(jì)的理論在中國橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展較為緩慢。震害經(jīng)驗(yàn)表明:鋼筋混凝土橋梁的破壞往往發(fā)生在橋墩部位,作為整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)重要的受力構(gòu)件,橋墩的設(shè)計(jì)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力具有舉足輕重的作用?；谝陨显?本文中在已有研究成果的基礎(chǔ)上,從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度,建立橋梁結(jié)構(gòu)震害定性決策標(biāo)準(zhǔn);從震后現(xiàn)場(chǎng)震害評(píng)估調(diào)查角度,建立鋼筋混凝土橋墩現(xiàn)場(chǎng)震害評(píng)估調(diào)查性能量化標(biāo)準(zhǔn);從工程設(shè)計(jì)角度,提出基于位移抗震設(shè)計(jì)中鋼筋混凝土橋墩性能水平的量化指標(biāo)。1結(jié)構(gòu)抗震性能量化結(jié)構(gòu)的抗震性能水平表示結(jié)構(gòu)在特定的某一地震設(shè)計(jì)水平下預(yù)期破壞的最大程度,包括結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。不同國家對(duì)于結(jié)構(gòu)性能水平的劃分不同,中國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范將其分為3檔,文獻(xiàn)中則將其劃分為4檔,Hose等根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞特點(diǎn)將性能水平劃分為5檔。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,工程抗震加固需求的不斷增長(zhǎng),結(jié)構(gòu)震后修復(fù)和加固技術(shù)的不斷成熟以及近年來地震造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失,人們意識(shí)到在不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能量化的重要性。而這些因素為更進(jìn)一步量化基于性能的抗震設(shè)計(jì)提供了可行性依據(jù)。因此,本文中結(jié)合已有的研究成果將鋼筋混凝土橋墩的性能水平劃分為5檔,依次為正常使用、暫時(shí)使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌。社會(huì)分工不同對(duì)工程抗震有不同的理解和認(rèn)識(shí),因此,在結(jié)構(gòu)抗震性能水平的定性或者定量描述中,研究者需要考慮這些因素。本文中結(jié)合各國相關(guān)研究成果,從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、震后現(xiàn)場(chǎng)震害評(píng)估調(diào)查和工程設(shè)計(jì)角度對(duì)橋墩性能水平進(jìn)行量化。業(yè)主和政府主管部門需要明確震前、震后結(jié)構(gòu)抗震性能,為結(jié)構(gòu)合理的投資決策提供依據(jù),故本文中從損傷分類、損傷描述、需要修復(fù)時(shí)間、需要修復(fù)程度以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性量化,給出如表1所示的5檔性能水平。地震發(fā)生之后迅速的抗震救援機(jī)制對(duì)于減輕震害損失、減少人員傷亡具有關(guān)鍵作用。然而,首先需要對(duì)處于生命線工程的橋梁進(jìn)行迅速、合理的現(xiàn)場(chǎng)震后評(píng)估調(diào)查,判斷其受損狀態(tài),為救援工作順利進(jìn)行提供保障。合理的震害現(xiàn)場(chǎng)性能水平定性和定量描述對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查、評(píng)估人員確定橋梁結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。因此,本文中在結(jié)合各國鋼筋混凝土橋墩震后調(diào)查和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,給出如表2所示適用于橋墩震后現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估調(diào)查的性能水平量化標(biāo)準(zhǔn)。業(yè)主和政府主管部門可以利用表1明確掌握結(jié)構(gòu)震前、震后性能狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)震害評(píng)估、調(diào)查人員可以通過表2迅速判斷鋼筋混凝土橋墩破壞程度,為抗震救援贏得時(shí)間。圖1為試驗(yàn)中典型的以彎曲破壞為主的鋼筋混凝土圓形橋墩在5個(gè)性能水平下的破壞程度。2性能量化指標(biāo)在基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論中,結(jié)構(gòu)性能的量化指標(biāo)可以用一個(gè)或者多個(gè)性能參數(shù)來定義,可選用的性能參數(shù)有:力、變形、延性、曲率、等效阻尼比、有效剛度、能量等。根據(jù)選用性能參數(shù)的不同,研究者可以定義不同的性能量化指標(biāo)表達(dá)方式。大量研究表明,不同結(jié)構(gòu)的地震破壞模式差異很大。結(jié)構(gòu)破壞模式所對(duì)應(yīng)的性能曲線對(duì)于確定相應(yīng)的性能參數(shù)至關(guān)重要。對(duì)于鋼筋混凝土橋墩來說,根據(jù)其破壞模式可以將其性能曲線劃分為脆性破壞、強(qiáng)度退化破壞和延性破壞3類,如圖2所示。從圖2可以看出,不同破壞模式對(duì)鋼筋混凝土橋墩的性能參數(shù)影響很大。因此,在結(jié)構(gòu)性能參數(shù)量化前,首先應(yīng)明確結(jié)構(gòu)的破壞模式。3結(jié)構(gòu)在不同性能間的位移角大量震害調(diào)查和試驗(yàn)研究表明,變形與強(qiáng)度、剛度、延性、曲率、等效阻尼比、能量都相關(guān)。相對(duì)受力來說,變形與結(jié)構(gòu)破壞程度的關(guān)系更為緊密。因此,變形比強(qiáng)度更能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能。位移角是表示結(jié)構(gòu)變形程度的參數(shù)之一。位移角能夠反映結(jié)構(gòu)各構(gòu)件變形的綜合結(jié)果,而且與結(jié)構(gòu)的破壞程度有較好的相關(guān)性。中國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)在“小震”作用下進(jìn)行彈性層間變形驗(yàn)算,在“大震”作用下進(jìn)行彈塑性層間變形驗(yàn)算。國外規(guī)范和規(guī)程也對(duì)結(jié)構(gòu)在不同性能水平下的變形容許位移角作了相關(guān)規(guī)定。因此,在本文第2節(jié)討論結(jié)構(gòu)性能曲線的基礎(chǔ)上,以位移角為性能參數(shù),確定以彎曲破壞(延性破壞)為主的鋼筋混凝土橋墩在不同性能水平的容許位移角限值。3.1要滿足中國鋼筋混凝土橋墩的一般特點(diǎn),俄羅斯橋梁本文中搜集了各國鋼筋混凝土橋墩試驗(yàn)數(shù)據(jù)共598個(gè),表3中列出了鋼筋混凝土橋墩各種破壞模式的分布。在172個(gè)以彎曲破壞為主的鋼筋混凝土圓形截面橋墩中,對(duì)于滿足條件(構(gòu)件以彎曲破壞為主,構(gòu)件的高寬比不小于1.95,構(gòu)件的縱向鋼筋沒有搭接),且在不同性能水平下文獻(xiàn)中有相應(yīng)位移值的127個(gè)的鋼筋混凝土圓形截面橋墩[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41]進(jìn)行分析,確定橋墩在正常使用、暫時(shí)使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌性能水平的位移角限值。圖3～7中分別給出了試件基本參數(shù)的分布情況。從圖3可以得到,鋼筋混凝土橋墩混凝土強(qiáng)度近似服從正態(tài)分布,85.36%(占試件總數(shù)的比例)的試件混凝土強(qiáng)度在25～45MPa之間。從圖4可以得到,鋼筋混凝土橋墩的高寬比近似服從正態(tài)分布。Sadaki等研究表明,橋墩高寬比大于3.8時(shí)一般發(fā)生彎曲破壞。從圖4可以得到,84.25%的橋墩高寬比大于3.8。從圖5可以得到,縱筋的配筋率近似服從正態(tài)分布,88.8%的橋梁配筋率在0.01～0.05之間。從圖6可以得到,體積配箍率近似服從正態(tài)分布,75.8%的橋墩體積配箍率在0.005～0.015之間。圖7為試件軸壓比的分布情況,從中可以得到73.5%的試件軸壓比小于1.5,滿足一般橋梁結(jié)構(gòu)軸壓比范圍。鋼筋混凝土橋墩混凝土強(qiáng)度、高寬比、縱筋配筋率、體積配箍率和軸壓比的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表4所示,其中取置信度為95%。從鋼筋混凝土橋墩混凝土強(qiáng)度、高寬比、縱筋配筋率、體積配箍率和軸壓比的分析可以發(fā)現(xiàn),本文中所選取試件滿足中國鋼筋混凝土橋墩的一般特點(diǎn)。由以上分析可知,本文中所選取的127個(gè)以彎曲破壞為主的鋼筋混凝土圓形截面橋墩具有一般性和代表性,為量化鋼筋混凝土橋墩在不同性能水平下的位移角限值提供了基礎(chǔ)。3.2試驗(yàn)結(jié)果分析不同研究者基于不同研究目的進(jìn)行了相應(yīng)的鋼筋混凝土橋墩試驗(yàn)研究。由于研究目的和加載裝置不同,鋼筋混凝土橋墩試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)圖也不同。本文中收集的127個(gè)鋼筋混凝土橋墩試驗(yàn)可以概括為如下3種模型結(jié)構(gòu),如圖8所示。圖8中,P為軸向壓力,F為水平推力,Δ為墩頂位移,L為等效懸臂柱的長(zhǎng)度,L′為橋墩基礎(chǔ)頂面到墩頂位移測(cè)點(diǎn)間距離,多數(shù)情況下,L與L′相等。其中,不同性能水平的位移角由圖8中Δ與L的比值確定。對(duì)滿足上述3個(gè)條件的127個(gè)鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行暫時(shí)使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌性能水平的位移角限值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖9～12所示。對(duì)于正常使用性能水平的位移角限值在相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道較少,不具有統(tǒng)計(jì)意義,因此,本文中結(jié)合各國相關(guān)文獻(xiàn)中的建議,從中國基本國情和工程實(shí)用的角度出發(fā),建議正常使用性能水平的位移角限值取為1/500。暫時(shí)使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌性能水平的位移角的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表5所示。在性能水平Ⅱ時(shí),鋼筋混凝土橋墩的位移角值在1/450～1/150的安全保證率見表6,在性能水平Ⅲ時(shí),鋼筋混凝土橋墩的位移角值在1/250～1/75的安全保證率見表7,在性能水平Ⅳ時(shí),鋼筋混凝土橋墩的位移角值在1/200～1/50的安全保證率見表8,在性能水平Ⅴ時(shí),鋼筋混凝土橋墩的位移角值在1/175～1/25的安全保證率如表9所示。從圖9～12和表6～9可以看出:性能水平Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ對(duì)應(yīng)位移角限值越小,其安全保證率越大,其結(jié)果越是偏于保守。本文中對(duì)性能水平Ⅱ位移角限值定為具有93.39%安全保證率的1/400位移角;性能水平Ⅲ位移角限值定為具有95.48%安全保證率的1/175位移角;性能水平Ⅳ位移角限值定為具有95.71%安全保證率的1/100位移角;性能水平Ⅴ位移角限值定為具有90.58%安全保證率的1/50位移角。新西蘭、日本和美國加州建議的橋梁結(jié)構(gòu)性能水平的變形容許位移角見表10。分析新西蘭、日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定可以看出,對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)輕微破壞性能水平位移角限值范圍約為1/190～1/160。日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定輕微破壞性能水平位移角限值為1/190,而新西蘭為1/160。本文中所提出的橋墩輕微破壞性能水平對(duì)應(yīng)于鋼筋首次屈服,與新西蘭、日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范建議的輕微破壞不同。因此,本文中所建議對(duì)應(yīng)于鋼筋首次屈服的輕微破壞變形性能水平位移角限制為1/400是合理的。本文中所提出的橋墩較重破壞性能水平與新西蘭、日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范建議的輕微破壞性能水平相同,建議的變形位移角限值為1/175,介于新西蘭與日本、美國加州之間。本文中所提出的嚴(yán)重破壞性能水平比新西蘭、日本和美國加州嚴(yán)重破壞性能水平要高,可以避免和減少人員傷亡。本文中所提出的防止倒塌性能水平對(duì)應(yīng)新西蘭、日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范較重破壞和嚴(yán)重破壞性能水平,新西蘭、日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范選取的較重破壞和嚴(yán)重破壞性能水平變形位移角限值在1/62.5～1/20之間;本文中建議的防止倒塌性能水平位移角限值為1/50,可以看出該值是合理的。本文中所提出的橋墩嚴(yán)重破壞性能水平與新西蘭、日本和美國加州設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)應(yīng)性能水平不匹配,這里主要有2個(gè)原因:①新西蘭、日本和美國加州是針對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)定義的性能水平,而本文中只是針對(duì)彎曲破壞為主的橋墩性能水平,正如前面所述,不同結(jié)構(gòu)破壞模式是不同的;②本文中是從中國基本國情和工程實(shí)用的角度出發(fā),確定不同性能水平量化指標(biāo),即考慮了結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài),又考慮了工程造價(jià)。因此,本文中建議的不同性能水平的位移角限值是合理的。本文中提出的以彎曲破壞為主的鋼筋混凝土圓形橋墩,在不同性能水平的變形位移角限值總結(jié)為表11。4建立鋼筋混凝土橋墩(1)根據(jù)鋼筋混凝土橋墩的破壞特點(diǎn)和橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)需要,對(duì)鋼筋混凝土橋墩性能水平進(jìn)行細(xì)化,劃分為正常使用、暫時(shí)使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌。(2)結(jié)合各國的研究成果,對(duì)5檔性能水平從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、震后現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查評(píng)估角度進(jìn)行量化,其結(jié)果滿足業(yè)主和政府主管部門在投資決策前把握結(jié)構(gòu)在震前、震后