提高混凝土橋墩的抗震性能的若干問題

提高混凝土橋墩的抗震性能的若干問題摘要：強(qiáng)烈地震作用下，高強(qiáng)箍筋和改善鋼筋混凝土短柱對保證高強(qiáng)混凝土柱的抗震能力具有重要意義。為研究高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的抗震性能，對國內(nèi)外進(jìn)行的混凝土抗壓強(qiáng)度在40~112MPa、箍筋屈服強(qiáng)度在400~1569MPa的混凝土柱的抗震擬靜力試驗結(jié)果進(jìn)行廣泛總結(jié)，得出一個廣泛的結(jié)論為，對于承受較高軸壓的高強(qiáng)混凝土柱，通過合理配置高強(qiáng)箍筋，是可以充分保證其延性和耗能能力的；而對于承受較低軸壓的高強(qiáng)混凝土柱，只要箍筋間距滿足要求，使用高強(qiáng)箍筋一般能保證其延性抗震性能。同時，通過改善鋼筋混凝土短柱的措施，也可以使短柱的抗震性能顯著提高。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；短柱；高強(qiáng)箍筋；抗震性能引言現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載及承受惡劣環(huán)境的方向發(fā)展，推動了高強(qiáng)混凝土在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用。在建筑結(jié)構(gòu)的框架柱或橋墩中，與普通強(qiáng)度鋼筋混凝土墩柱相比，高強(qiáng)混凝土柱的主要優(yōu)點(diǎn)在于：①增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度；②更易于實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計思想；③由于高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度較高，加快了施工進(jìn)度；④減少了對鋼筋錨固長度要求；⑤減少截面尺寸，增加下部凈空；⑥提高耐久性，這一點(diǎn)對更易于遭受腐蝕的橋墩來說尤為重要。高強(qiáng)混凝土的脆性對墩柱結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力產(chǎn)生較大影響，特別是當(dāng)其承受較大軸壓時，使用普通強(qiáng)度的約束箍筋，為滿足延性抗震要求而需要的配箍率較高，造成箍筋配置太密以至于無法施工，大大限制了高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震區(qū)的使用。而采用高強(qiáng)箍筋以減少配箍率，對柱形成有效約束并提高高強(qiáng)混凝土柱的延性抗震性能，為高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震區(qū)的推廣應(yīng)用提供了新的解決途徑。在美國，強(qiáng)度達(dá)113.9MPa的超高強(qiáng)混凝土已經(jīng)在西海岸震區(qū)使用，高層建筑柱使用強(qiáng)度達(dá)100MPa以上的混凝土已屢見不鮮。日本建設(shè)省在1988~1993年開展了題為“采用高強(qiáng)度混凝土和鋼筋開發(fā)先進(jìn)的鋼筋混凝土建筑”的5年全國性研究項目，其目的在于生產(chǎn)出抗壓強(qiáng)度在30~120MPa的混凝土，以及屈服強(qiáng)度在400~1200MPa的高強(qiáng)度鋼筋，并在開發(fā)新的鋼筋混凝土建筑時使用這些材料。在我國，早期如清華大學(xué)、大連理工大學(xué)，近期如沈陽建筑大學(xué)等高校也對高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了研究。有所不同的是，清華大學(xué)和大連理工大學(xué)使用的高強(qiáng)箍筋主要為冷軋帶肋鋼筋，屈服強(qiáng)度約在550~750MPa；而沈陽建筑大學(xué)閻石教授主要采用屈服強(qiáng)度為1300MPa左右的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力棒作為橫向約束箍筋。我國臺灣學(xué)者結(jié)合島內(nèi)“高速鐵路計劃”，對高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土空心截面橋墩的抗震性能也進(jìn)行了較多研究。通過國內(nèi)外鋼筋混凝土柱（橋墩）抗震性能的研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，即使對于普通強(qiáng)度的混凝土柱，國外也較多采用屈服強(qiáng)度在400MPa以上的高強(qiáng)鋼筋配箍，我國臺灣學(xué)者在近期關(guān)于空心截面橋墩抗震性能的研究中，使用的箍筋強(qiáng)度也多在400MPa以上。而目前我國大陸仍較多采用強(qiáng)度較低的HPB235級鋼筋作為箍筋，總體上比國外低一個強(qiáng)度等級，難以有效保證高強(qiáng)混凝土墩柱在高軸壓下的抗震安全，同時，低強(qiáng)鋼筋也含有較多的不經(jīng)濟(jì)因素。本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對采用高強(qiáng)箍筋約束的高強(qiáng)混凝土柱（橋墩）的抗震性能進(jìn)行介紹，以期促進(jìn)這一技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展。需要說明的，本文所討論的高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱，是指混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度大于40MPa、箍筋屈服強(qiáng)度大于400MPa的高強(qiáng)混凝土柱，作者搜集了137根高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的抗震擬靜力試驗結(jié)果（混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度范圍為40~112MPa，箍筋屈服強(qiáng)度范圍為400~1569MPa），并總結(jié)了高強(qiáng)混凝土柱（橋墩）矩形應(yīng)力圖、抗剪強(qiáng)度、約束箍筋用量及延性等抗震性能的研究結(jié)論。每個柱的混凝土強(qiáng)度與箍筋強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。本文中，如無特殊說明，混凝土強(qiáng)度均指圓柱體抗壓強(qiáng)度，箍筋強(qiáng)度均為屈服強(qiáng)度。圖1混凝土強(qiáng)度與箍筋強(qiáng)度的關(guān)系1高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱壓彎構(gòu)件的矩形應(yīng)力圖我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）、美國ACI318—05規(guī)范以及新西蘭規(guī)范NZS3101—1995均采用等效矩形應(yīng)力圖計算混凝土結(jié)構(gòu)在壓彎作用下的抗彎承載力。在矩形應(yīng)力圖中，主要有兩個參數(shù)α1和β1，對混凝土柱抗彎承載力的計算起重要作用。我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）中，矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值乘以α1，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50時，α1取為1.0，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80時，α1取為0.94，其間按線性內(nèi)插法確定；參數(shù)β1為矩形應(yīng)力圖高度與混凝土受壓區(qū)高度的比值，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50時，β1取為0.8，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80時，β1取為0.74，其間按線性內(nèi)插法確定。ACI318—05規(guī)范的矩形應(yīng)力圖，參數(shù)α1為矩形應(yīng)力圖中的應(yīng)力與混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度的比值，取為0.85，參數(shù)β1為矩形應(yīng)力圖高度與混凝土受壓區(qū)高度的比值，當(dāng)抗壓強(qiáng)度fc′在17~28MPa時，取0.85，當(dāng)fc′超過28MPa，抗壓強(qiáng)度每增加7MPa，β1減少0.05，但不小于0.65。新西蘭規(guī)范NZS3101—1995適用的混凝土抗壓強(qiáng)度范圍最高為70~100MPa：fc′>55MPa時，α1=0.85-0.004（fc′-55）≥0.75（1）fc′>30MPa時，β1=0.85-0.008（fc′-30）≥0.65（2）各國規(guī)范規(guī)定的矩形應(yīng)力圖主要基于普通強(qiáng)度的混凝土柱壓彎試驗結(jié)果得到，隨著高強(qiáng)及超高強(qiáng)混凝土的廣泛應(yīng)用，這些公式能否應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土柱的正截面承載力計算值得探討。近期的研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土強(qiáng)度較低時，按照ACI318—05規(guī)范及新西蘭NZS3101—1995規(guī)范計算的柱抗彎強(qiáng)度偏于安全，但是對于承受較大軸壓的高強(qiáng)混凝土柱，計算結(jié)果較大，偏于不安全。我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）及葉列平教授對高強(qiáng)混凝土矩形應(yīng)力圖的規(guī)定也僅限于C80及以下強(qiáng)度的混凝土構(gòu)件，對于C80以上混凝土壓彎構(gòu)件的矩形應(yīng)力圖則沒有說明?；诖耍簧賹W(xué)者根據(jù)高強(qiáng)混凝土柱的壓彎試驗結(jié)果對矩形應(yīng)力圖進(jìn)行修正，使其適用于高強(qiáng)混凝土壓彎柱的正截面承載力計算。Azizinamini等人通過對屈服強(qiáng)度在454~753MPa之間的高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的擬靜力試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度小于55MPa時，按ACI318規(guī)范計算的橋墩抗彎強(qiáng)度小于試驗值，偏于安全；當(dāng)混凝土強(qiáng)度大于97MPa后，按ACI318規(guī)范計算的橋墩抗彎強(qiáng)度偏大，可能不安全。并建議，當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度大于69MPa時，對α1值進(jìn)行修正：α1=0.85-0.05fc′-696.9!"≥0.60（3）Attard等基于概率分析結(jié)果，提出了適用于高強(qiáng)混凝土柱的雙參數(shù)矩形應(yīng)力圖，用于抗壓強(qiáng)度在20~100MPa之間的混凝土：α1=k1k3=1.2932（fc′）-0.0998≥0.71（4）β1=k2=1.0948（fc′）-0.091≥0.67（5）2短柱的破壞形態(tài)短柱破壞形態(tài)與長柱明顯不同,其剛度大,變形能力和耗能性能差,其破壞形式一般分為剪切破壞和粘結(jié)破壞。破壞時斜向交叉裂縫貫通,柱的強(qiáng)度急劇下降,發(fā)生沿斜截面滑移、混凝土嚴(yán)重剝落等脆性破壞。因此,當(dāng)建筑物遭遇該地區(qū)設(shè)防烈度或高于該地區(qū)設(shè)防烈度的地震作用時,容易形成薄弱環(huán)節(jié)而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。3改善短柱抗震性能的措施國內(nèi)外學(xué)者從不同角度,針對改善短柱的抗震性能問題進(jìn)行了研究:(1)采用分體柱技術(shù)實現(xiàn)變“短柱”為“長柱”。在地震作用下,短柱常因剪壞而失效,其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。分體柱技術(shù)就是采用隔板(石膏板、纖維板或竹膠板等)將短柱分為2或4個柱肢,并分別配筋(見圖4),從而削弱短柱的抗彎強(qiáng)度,使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或低于抗剪強(qiáng)度。這樣,在地震作用時,柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度,呈現(xiàn)延性的破壞形態(tài)。研究結(jié)果表明,分體柱雖然使構(gòu)件的抗彎承載力有所降低,但抗剪承載力基本不變,且構(gòu)件的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型,改善了短柱尤其是剪跨比λ<1.5的超短柱的抗震性能。分體柱技術(shù)對改善短柱的抗震性能有著良好的效果。(2)筆者從提高短柱的受剪承載力改善其抗震性能的角度出發(fā),提出了在異形截面短柱中配交叉鋼筋的抗震措施,明顯提高了異形截面短柱的抗震性能。(3)采用型鋼混凝土短柱。型鋼混凝土柱由型鋼和外包混凝土組成,型鋼通常采用由鋼板焊接拼制或軋制而成,其型鋼截面通常采用矩形截面和十字形截面等,如圖5所示。型鋼混凝土可充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn),與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,由于配置了型鋼,使柱的豎向和水平承載力大大提高,從而有效減小了柱的截面尺寸;型鋼翼緣與箍筋對混凝土有很好的約束作用,使混凝土的延性提高,加上型鋼本身良好的塑性,使短柱改善了延性,提高了耗能能力。(4)采用鋼纖維混凝土。這種思想是從改善柱子的材料性能入手,通過在普通混凝土中摻入鋼纖維,使得混凝土中的鋼纖維與混凝土共同承擔(dān)荷載,使混凝土的材料特性向著鋼材靠攏。鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞、高韌性等性能,從而大大改善了混凝土柱的延性,提高了承載力,有效地改善了短柱的抗震性能。(5)加強(qiáng)對混凝土的約束作用,使混凝土的抗壓承載力得到大幅提高,從而防止構(gòu)件在較大剪壓比情況下發(fā)生剪壓破壞以改善短柱的抗震性能。目前,增強(qiáng)混凝土約束作用的措施主要有:增強(qiáng)箍筋約束力,國內(nèi)外試驗均表明,加強(qiáng)箍筋對混凝土的約束,可提高柱子的極限變形角,增強(qiáng)其抗剪承載力,這也符合高層建筑框架柱應(yīng)滿足剪壓比限值和“強(qiáng)剪弱彎”的要求;采用鋼管混凝土,鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁圓形管或方形鋼管內(nèi)而形成的組合構(gòu)件,由于鋼管內(nèi)混凝土受到鋼管的側(cè)向約束使得混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到提高,顯著改善了短柱的延性。(6)使用碳纖維布約束混凝土。這種方法是用碳纖維布從外圍對鋼筋混凝土柱進(jìn)行橫向包裹。由于碳纖維布的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都很高,對混凝土的約束作用明顯,提高了混凝土的極限壓應(yīng)變,推遲了受壓區(qū)混凝土被壓碎的時間,從而可充分發(fā)揮縱筋的塑性變形性能,改善了鋼筋混凝土短柱的延性。4結(jié)論大力推廣高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用是提高我國建設(shè)水平的重要方向，高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱抗震性能的研究打破了高軸壓及高強(qiáng)混凝土柱在震區(qū)使用的禁區(qū)。目前我國在這方面的研究基礎(chǔ)較為薄弱，大大限制了高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在我國的使用，本文力圖對國內(nèi)外所進(jìn)行的高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土抗震性能的研究成果進(jìn)行較為全面的介紹，主要獲得如下認(rèn)識：（1）由于高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線同普通強(qiáng)度混凝土不同，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的鋼筋混凝土柱矩形應(yīng)力圖及抗剪承載力計算公式在計算高強(qiáng)混凝土柱時結(jié)果可能不安全或過于保守，對其應(yīng)進(jìn)行修正，使其能夠適用于高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的抗彎、抗剪承載力計算。（2）ACI318及NZS3101規(guī)范為保證鋼筋混凝土柱延性而規(guī)定的最低約束箍筋用量計算公式，無法保證高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的抗震安全，甚至根本不適用于高強(qiáng)箍筋約束的高強(qiáng)混凝土柱，應(yīng)針對其特點(diǎn)進(jìn)行專門研究。（3）即使在軸壓比大于0.6的較高軸壓下，高強(qiáng)箍筋對高強(qiáng)混凝土柱仍能夠提供有效約束，充分保證了高強(qiáng)混凝土柱的延性和耗能能力。（4）對于軸壓較低的高強(qiáng)混凝土柱，因其延性抗震性能易于保證，不建議使用強(qiáng)度過高的約束箍筋，同時，對箍筋最小間距進(jìn)行規(guī)定從而保證反復(fù)荷載下縱筋不過早屈曲，對提高高強(qiáng)混凝土柱的延性具有重要意義。參考文獻(xiàn)［1］陳肇元.高強(qiáng)與高性能混凝土的發(fā)展及應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報，1997，:［2］徐有鄰.我國混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.土木工程學(xué)報，1999，［3］青山博之.現(xiàn)代高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.張川，譯.重慶:重慶大學(xué)出版社，2006［4］王浩，張惠英.LL550冷軋帶肋箍筋高強(qiáng)混凝土柱抗震性能的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002［5］李蓬.冷軋帶肋箍筋高強(qiáng)混凝土壓彎構(gòu)件抗震性能的試驗研究［D］.北京:清華大學(xué)，2000箍率的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1999[6]GB50011-2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑出版社,2