钢筋混凝土墩柱抗剪性能的影响分析.pdf

1 8 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g J u n e ， 2 0 1 0 文章编 号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 1 8 - 0 4 钢筋混凝土墩柱抗剪性能的影响分析 杨雅勋 ， 黄 华 ( 1 ．长安大学 桥梁与隧道 陕西省重点实验室 ， 西安7 1 0 0 6 4；2 ．长安大学 建筑工程学院 ， 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要 ： 地震 中桥 梁墩柱 的剪切破 坏是其 主要破坏 现 象之 一。通过 有 限元 程序 A N S Y S分析 了钢筋 混凝土 墩 柱的抗 剪性 能及其影 响 因素。研 究表 明 ： 混凝 土强度 、 墩 柱轴压 比、 配箍 率 及墩 柱 高度 对墩 柱抗 剪性 能均有很 大影 响 ； 墩柱 宜采 用较 高强度等 级的混 凝土 ， 同时控 制轴 压 比在 适 当范 围； 增 大 配箍 率能提 高 箍 筋屈服 时墩 柱的承栽 力和延性 ， 但对其 极限承 裁力和 延性 影响 不 大 ； 墩 柱越 高越 应控 制 好其 刚度 ， 过 柔的墩 柱 易发 生剪切破 坏。 关键词 ： 桥墩钢筋混凝土抗剪性能影响因素有限元分析 中图分 类号 ： T U 3 7 5 ． 3 文 献标 识码 ： A 北 京时 间 2 0 0 8年 5月 1 2日下午 2时 2 8分 ， 中国 汶川发生 8 ． 0级大地震 ， 震中烈度高达 1 1 度 ， 震源深 度约 1 6 k m。此次地震使得重灾区几乎所有的公路桥 梁遭受严重破坏， 桥 台滑移 、 梁和桥 台受挤压 、 锚栓剪 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 1 2 - 3 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 0 --0 5 - I 8 基金项目： 陕西省交通科技项 目( 0 7 - 0 6 k ) 。 作者简介 ： 杨雅勋 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 陕西西安人 ， 讲师， 工学博士。 断、 系梁开裂 ， 部分大桥由于落梁而毁坏。其破坏形式 多 样 ， 程度 极其严 重 ， 就调 查 区域 情 况来 看 ， 灾 区桥梁 破坏可以分以下几种类 型： 桥 台震害、 桥墩震害、 落梁 震害、 桥梁上部结构破坏和支座破坏。桥墩作为支撑 桥梁上部构造的主要构件， 其震害主要包括桥墩的断 裂和变形 ， 破坏 如 图 1 所 示 。图 1 ( a ) 所示 为某大 桥墩 柱底部剪 切破坏 ， 图 l ( b ) 为某大 桥墩柱系梁处 剪切 破 坏 ， 图 1 ( c ) 为 某 大桥 墩 柱压 溃 。对 于梁 式桥 梁 ， 只 要 表 5桥墩方案比较 比较项 目 半 幅双柱式桥墩 半幅薄壁板式桥墩 经 i开住 伴 价 造 价 低 造 价 比 双 柱 式 桥 墩 梢 商 应 用 经 验 鋈 襞 是 羹 ’ 技 术 比 施 工 难 度薷 工蓑 柔 墨 蓑 ’ 施 工 的 桥 梁 景 观 墩 柱 林 立 ，不 够 美 观 鬟 墩 线 形 流 畅 ’ 新 颖 美 桥下空间 不够开阔， 采光较差 比较 开阔， 采光较好 占 她 糖 持 ／ 在 表 5中， 对这 两种桥墩 方案从 经济 、 技术 与景 观 等各个方面进行了对 比。总体而言， 半 幅薄壁板式桥 墩经济性略差于半幅双柱式桥墩， 而两者在技术方面 都不存在问题 ， 施工也都方便快捷。但薄壁板式桥墩 比半 幅双柱式 桥墩美观 ， 占地较 少 ， 桥下 的空 间也更为 开阔， 采光更好 ， 更有利于桥下行车。经综合考虑， 本 段桥梁推荐采用半幅板式桥墩。 5 结 论 广州至高明高速公路 ( 广州段 ) 桥梁采用两幅分 离式断面、 半幅薄壁板式桥墩 ， 上部结构在等宽段采用 先简支后 结构连 续 的预应力 混凝 土小箱 梁 。该方 案可 以有效组 织交通 ， 减 少 干扰 ， 利 于 行 车顺 畅 、 安 全 。主 梁 、 桥墩形 式造 型美 观 ， 增 加 桥下 车 道 透光 度 ， 占地较 少 ， 结构简洁美观 ， 施工技术较为成熟 ， 造价较低。跨 径以2 5 m跨为主 ， 再根据具体路段的不同情况对跨径 进行调 整 。 参 考 文 献 [ I ] 姚玲森． 桥梁工程 [ M] ． 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 中华人 民共 和 国交通 部．J T G D 6 0 --2 0 0 4公路桥涵 设计 通用规范[ S ] ． 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 中华人 民共 和国交通部 ．J T G D 6 2 --2 0 0 4 公 路钢筋 混凝 土及预应力混凝土桥涵设 计规范 [ S ] ． 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 00 4． [ 4 ] 中华人 民共 和 国交 通部．J T G D 6 3 --2 0 0 7 公路桥 涵地基 与基础设计规范[ S ] ． 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 7 ． ( 责任 审编孟庆伶) 2 0 1 0年第 6期 钢 筋混凝 土墩柱抗剪性能的影响分析 l 9 下部 结构 不倒 塌 ， 上 部结 构在 地 震 中 的震 害 多 表 现 为 刚体移动， 而主梁开裂 、 破坏等结构性震害较少 ， 这一 现 象与 日本阪 神地 震 中的情 况 较 为 相 似 。因此 ， 确 保 地震 中桥 墩 的抗剪性 能 ， 减 少其 致命损 伤 的发生 ， 确 保 救灾 生命 线 的畅通具 有重要 意义 。 ， 而 目前这 方面 的 研究 主要 集 中在建筑 结 构方 面 。 。本 文 以桥 梁 墩 柱 的剪切破 坏为 研究对 象 ， 通 过数 值分 析 ， 指 出影 响墩 柱 抗剪 性能 的影 响 因素 ， 为墩 柱 的抗剪 设 计 及 加 固 提 供 参考 ( a ) 墩柱底部剪切破坏 ( b ) 墩柱系粱处剪切破坏 ( c ) 墩柱顶部剪压破坏 图 1 汶 川 地 震 中桥 梁 墩 柱 破 坏 形 态 1数值 分 析 概 况 桥 梁墩 柱 的剪切 破 坏在 汶 川 地 震 中表 现 较 多 ， 此 处以某大桥为原型， 建立缩尺模 型， 通 过 A N S Y S有 限 元程序进行数值分析， 揭示其内在的影响机理。 模 型截 面见 图 2 ， 材料参 数见 表 l 。主要考 虑混 凝 土强度 、 箍筋 数量 、 轴 压 比 、 墩柱 高 度 等 对墩 柱 抗 剪 性 能的 影 响 。柱 的 纵 筋 8根 6 2 5 mm， 屈 服 强 度 4 5 3 MPa ＼ ＼ 8 5 7／：： I 箍 筋 — 一 1 —1 图 2模 型 截 面 及 尺 寸 ( 单 位 ： mm) 2墩柱抗剪性能分析 2 ． 1剪切破 坏 现象 数值计算结果见表 2 。表 中 为箍筋屈服时的 剪力 ， u 为墩 顶 的屈 服 位 移 ， 为 混 凝 土 剪 切 破 坏 时 的极 限剪力 ， “ 为 墩 顶 的 极 限 位 移 。 由表 2可 见 ， 随 墩 柱各 自参数 的不 同 ， 特征 荷载均 有不 同程度 的变化 。 表 1试 件 编 号 及分 类 构件编号 ／ ( k N。 m)“ ／ ra m L／ ( k N‘ m ) u ／ mm 墩 柱破 坏 时 的 典 型应 力 云 图见 图 3 。 图 3 ( a ) 为 破 坏 时的混凝 土第 3主应 力云 图 ， 由图 3 ( a ) 可见 混凝 土达到抗 压 强度 ， 发生剪压 破坏 。图 3 ( b ) 为钢 筋应 方 云图 ， 由图 3 ( b ) 可见 ， 箍筋发 生屈 服时 ， 纵 向钢 筋远 未 达到屈 服强度 ， 破 坏方式 为典 型的剪 切破坏 。 2 ． 2 混 凝土 强度 的影响 混凝 土强 度对 抗 剪 性 能 的 影 响 曲 线见 图 4， 主 要 考 虑 C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0三种 强度 。 由图 4 ( a ) 结合 表 2数 据可见 ， 混 凝土 强度 对墩 柱 抗 剪性 能有非 常大 的影 响 ， 随混 凝土 强度提 高 ， 箍 筋屈 服 荷载及 极 限荷载 均 增 大 ， 墩 顶位 移 亦 同样 变 化 。 以 构件 D Z ． 1为参 照 ， 屈服 荷载 提 高幅 度为 2 1 ． 6 ％ 和 3 9 ． 6 ％， 极限荷载提高幅度 为 3 7 ． 7 ％和 6 5 ． 6 ％； 箍筋 屈 服时墩 顶位 移 的增 幅分 别为 2 ． 6 ％和 4 ． 8 ％ ， 极 限位 一 2 0 铁道建筑 ，⋯! x 一 曼 ! x ．# 3 点J ． n ， ，0 j ( a ) 混凝 土应力 云图 ⋯ 一 ⋯⋯ ～’ ’ ⋯ ’ ’ ’^～ 一 ： 一 一 前 ， ． - 0 _ _ ’ ： ⋯L 嚣 一 篓 = ≯ 一 0 00 I ：一 一 。 一一羔 竺麓k ： ! ． ： 蔓■ 1 ! 。 啦 ： ： j 。 j ( b )钢筋应力云图 图 3 墩柱破坏时的典 型应力云图 移的增 幅为 5 5 ． 0 ％ 和 6 7 ． 9 ％ 。 由图 4 ( b ) 可见 ， 各墩柱箍 筋应力 发展趋势 基本 一 致 ， 最初 阶段基 本不 受力 ， 随混凝 土 开裂 ， 逐 步 承受 荷 载。但混凝土强度最低的墩柱， 其箍筋最先受力 ， 且混 凝 土强 度越高 ， 箍 筋屈服及 破坏越 晚。 图 4 ( c ) 进 一步 说 明了混凝土强 度越 高 ， 抗剪 承 载力 越 大。墩 柱 宜采 用较高 强度的混凝 土。 墩顶位移 Ⅻ ( a ) 剪力—位移曲线 箍筋应力／ MP a ( b ) 剪力—灌 筋应力曲线 混凝土压应力／ MP a ( c ) 剪力一 混凝 土压应 力曲线 图 4混凝土强度对墩柱抗剪性能的影响 2 ． 3轴压 比的影响 轴压 比对抗 剪性 能 的影 响 曲线见 图 5 ， 主要 考 虑 轴压 比分别 为 0 、 0 ． 1 5 、 0 ． 3 0和 0 ． 5 0四种 情况 。 由图 5 ( a ) 结 合表 2数据可见 ， 轴压 比对墩 柱抗 剪 性能有非常大的影响 ， 随轴压比的提高 ， 箍筋屈服荷载 及墩顶屈服位移均增大 ； 但极限荷载却先增 大， 后减 小 ， 墩顶极 限位移 亦 同样 变 化 。以构 件 D Z - 4为 参照 ， 屈 服荷 载提 高幅 度 为 5 I ． 2 ％ 、 1 0 5 ． 9 ％ 和 1 5 6 ． 0 ％ ， 而 极限荷载提 高幅度为 2 4 ． 4 ％、 2 5 ． 2 ％和 1 8 ． 5 ％ ； 箍筋 屈服时墩顶位移的增幅分别为 0 、 1 6 ． 1 ％和 2 0 ． 8 ％， 极 限位 移 的增 幅为 3 ． 1 ％ 、 一 2 5 ． 8 ％和 一 5 9 ． 2 ％。 由图 5 ( a ) 、 5 ( b ) 可 见 ， 各 墩柱 箍 筋应 力发 展趋 势 基本一致， 轴压 比越小， 混凝土开裂越早 ， 箍筋承受荷 载亦早 ， 但过大 的轴压 比会对 墩 柱 的抗剪 承 载力 造成 不利影响， 使其抗剪承载力降低 ， 延性变差。 对轴压比过大的墩柱可通过增大截面积的方法 ， 来降低轴压 比， 提高抗剪承载力 ， 并改善柱的延性。 墩顶位移／ mm ( a ) 剪力一 位移曲线 箍筋应力,q V l P a ( b ) 剪力一 箍筋应力曲线 混凝土压应力／ MP a ( c ) 剪力一混凝土压应力曲线 图 5 轴 压 比对 墩 柱 抗 剪性 能的 影 响 2 ． 4箍 筋用量 箍筋用量对抗剪性能的影响曲线见图 6 。主要考 虑配箍率分别为 0 ． 1 9 ％ 、 0 ． 3 7 ％和0 ． 6 7 ％三种情况。 由图6 ( a ) 结合表 2数据可见， 随配箍率的提高 ， 箍 筋屈服荷 载及墩 顶屈服位 移均增 大 ； 极 限荷 载亦同 ， 但 墩顶极 限位 移则 变 化不 大 ， 并且 可 能减 小 。以构 件 D Z 一 2为参照 ， 屈服荷载提高幅度为 1 8 ． 8 ％和 4 0 ． 9 ％， 而极限荷载提高幅度为 2 ． 3 ％和 1 3 ． 4 ％ ； 箍筋屈服时 墩顶位移 的增 幅分 别 为 4 0 ． 3 ％ 和 1 0 6 ． 0 ％ ， 极 限 位移 的增 幅为 一1 2 ． 2 ％ 和 1 ． 8 ％。 由图 6 ( b ) 、 6 ( C ) 可 见 ， 各墩 柱 箍 筋 应 力 、 混 凝 土 应 力在加 载初 期基本 相 同 ， 直到荷载达 到 3 0 0 k N以上 时 ， 才有所 变化 。 由此可见， 通过 F R P 、 粘钢等进行抗剪加固， 其本 质上是增大墩柱的配箍率 ， 这虽然可 以提高其屈服荷 载和增 大墩顶 的变形 幅度 ， 但 极 限承 载 能力 变化 不会 很大 。 2 0 1 0年第 6期 钢筋混凝土墩柱抗剪性能 的影 响分析 2 1 墩 顶位 移， m m ( a ) 剪力一位移曲线 箍筋应力／ MP a ( b ) 剪力一箍筋应力曲线 0 -1 0- 2 0- 3 0- 4 0- 5 0 - 6 0 混凝土压 应力／ MP a ( c ) 剪力一混凝土 压应力曲线 图 6箍筋用量对墩柱抗剪性能的影响 2 ． 5柱 高度 柱高度对抗剪性能 的影响 曲线见图 7 ， 主要 考虑 柱高分别为 4 0 0 m m、 6 0 0 mm和 8 0 0 m m三种情况。 由图 7 ( a ) 结 合 表 2数 据 可见 ， 随 柱 高度 ， 箍 筋 屈 服荷载及极限荷载均减小 ； 而墩顶屈服位移及极限位 移增 大 。 以构 件 D Z ． 2为 参 照 ， 屈 服 荷 载 提 高 幅 度 为 一 3 4 ． 7 ％ 和一 4 5 ． 3 ％ ，而 极 限 荷 载 提 高 幅 度 为 一 3 3 ． 2 ％和 一 5 2 。 2 ％ ； 箍 筋 屈 服 时墩 顶 位 移 的增 幅分 别 为 2 6 ． 8 ％ 和 1 0 7 ． 3 ％ ， 极 限位 移 的增 幅 为 2 9 ． 5 ％ 和 4 4． 8％ 。 由图 7 ( b ) 、 7( C ) 可 见 ， 各 墩 柱 箍 筋 应 力 、 混 凝 土 应力 随柱 高度增 加而发 展加 快 ， 亦先达 到破 坏 。 说 明墩 柱 高度 增加 ， 柔 度 增 大 ， 墩 顶位 移 亦增 大 ， 但抗剪能力降低 ， 过柔的墩柱在地震 中发生剪切的可 墩顶位 移／ n u n ( a ) 剪 力一 位移 曲线 箍筋应 力／ MP a ( b ) 剪力一箍筋应力曲线 0 -1 0 - 2 0- 3 0-4 0 - 5 0- 6 0 混凝土压应力／ MP a ( c ) 剪力一 混凝土压应力 曲线 图 7 柱高度对墩柱抗剪性能 的影响 3 结 论 1 ) 混 凝 土 强 度 对 抗 剪 性 能 有 很 大 影 响 ， 随其 增 大 ， 墩 柱抗 剪承载 力 和变形 能力均 有所 提高 ， 墩 柱设计 中应适 当提 高其混 凝 土强度 。 2 ) 墩柱 轴压 比应 适 当 ， 过 大 的轴 压 比会 对墩 柱 的 抗 剪 承载力 造成 不利 影响 ， 使 其抗 剪承 载力 降低 ， 延性 变差。大轴压比的墩柱可通过增大截面积 的方法， 来 降低轴压比， 改善柱 的延性。 3 ) 增 大 配 箍 率 可 增 加 墩 柱 剪 切 破 坏 时 的 屈 服荷 载和变形， 但对极限荷载和变形改变不大， 采用增大配 箍 率 的加 固方法 ， 虽然 可 以提 高其 屈 服 荷 载 和变 形 能 力 ， 但极 限承 载力及 变形 性能 的改 善不会 很大 。 4 ) 随墩柱 高度 增 加 ， 其 柔 度 增加 ， 墩 顶 位 移增 大 ， 但 抗剪 能力 降低 ， 地 震 中发生 剪切 破坏 的可能 性增大 ， 墩 柱设计 不 宜过柔 ， 已有 墩柱 应采 取措施 加强 其刚度 。 参 考 文 献 [1] 熊文林 ， 蔡 向阳． 汶川大地震棉 广高速桥梁 震害分析 [ J ] ． 华 中科技大学学报 ( 城市科学 版) ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 1 9 — 1 2 2 ． [ 2] 王东升 ， 郭迅 ， 孙 治 国， 等． 汶川大地震 公路桥梁 震害初 步 调查 [ J ] ．地震 工程 与工程振 动 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 3 ) ： 8 4 — 9 4 ． [3] 李鸿 晶 ， 陆鸣 ， 温增平 ， 等． 汶川地震 桥梁震 害的特征 [ J ] ． 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 9 ， 3 l ( 1 ) ： 2 4 — 2 9 ． [ 4] 黄承逵 ， 曲福来 ， 徐 士瞍 ． 钢筋混凝 土不等 肢异形柱抗 剪 承载力研究 [ J ] ．工 程力 学 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 5 ) ： 1 9 7 — 2 0 1 ． [5] 李俊华 ， 王新堂 ， 薛建 阳． 型钢高强混凝 土短柱 的抗剪机理 与抗剪承载力 [ J ] ．工程力学 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 9 1 ． 1 9 9 ． [ 6] 罗素蓉 ， 郑建岚 ， 郑作樵．钢纤维钢筋 混凝 土柱 的抗 剪承 载力计算方法 [ J ] ．工程 力学 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 6 ) ： 7 8 - 8 1 ． [7] 管 品武 ， 邹银生 ， 刘立新．反复荷 载下钢筋混凝土框架柱 抗剪承载力分析[ J ] ．世界地震工程 ， 2 0 0 0 ， 1 6 ( 2 ) ： 5 2 — 5 6 ． [8] X I A O Y， wu H．C o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c o n c r e t e c y l i n d e r s c o n fi n e d b y c a r b o n fi b e r c o m p o s i t e j a c k e t s [ J ] ． J o u r n a l o f M a t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ，AS C E，2 0 0 0，1 2 ( 2) ：l 3 9 - 1 4 6 ． [9] 胡巧玲 ． 跨线桥墩柱病害原因分析与加 固效果 [ J ] ． 铁道建 筑 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： l o 0 — 1 o 3 ． [ 1 O ] 肖明文 ， 刘 伟哲 ． 新建 铁路桥墩 病害形成 原因分析 及其劣 化评定标准的探讨[ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 2 8 - 3 0 ． [ 1 1 ] 卢炜 ， 李承君． 大秦重 载铁路 既有 中高 圆形 桥墩加 固方案 的研究[ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 7 — 1 9 ． ( 责任 审编王天威)