近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究.doc

碩士學位論文 I 摘要 近場地震與遠場地震相比，其震害明顯，破壞性更大；由于種種原因，實際工程 中不乏短柱的存在。與長柱相比，短柱破壞突然，在性能上也有一定的差異。因此有 必要對短柱抵抗近場地震的能力進行專門的研究，以避免柱構件發(fā)生破壞，從而影響 整個結構的安全，令人員和財產(chǎn)遭受損失。之前亦有研究生完成一批近場地震作用下 柱構件抗彎性能的試驗研究。在此背景下，本文設計了四個模擬近場地震效應的試驗 進行抗剪方面的研究。包括試件的設計和制作，比較不同長度的柱和不同直徑的縱向 鋼筋在近場地震作用下的性能；根據(jù)近場地震作用于結構的特點確定了相應的加載方 式，制定了試驗測量方案，比較近遠場地震作用下對試驗柱的不同影響。對于各個試 驗詳細描述各柱的試驗現(xiàn)象，包括混凝土首次開裂、縱筋和水平箍筋的屈服、斜裂縫 的出現(xiàn)與發(fā)展、混凝土剝落，以及破壞時的現(xiàn)象等；比較分析試驗中采集的數(shù)據(jù)，包 括滯回曲線、能量耗散、剛度變化，鋼筋和混凝土協(xié)同工作的關系，以及粘結、剪切 和彎曲三種變形成分的關系等，通過對每個試驗之間進行比較和綜合來驗證試驗柱的 抗震性能。通過軟件對試件進行數(shù)值模擬對比。采用三種損傷模型對每個試驗進行損 傷評估，對比試驗和損傷計算結果，比較模型的準確性，對三種模型在加載各階段的 準確度進行比較，得出適用于近場地震作用下結構的損傷分析。比較了彎曲和剪切破 壞柱試驗的損傷發(fā)展，探討了導致?lián)p傷的不同機理。 關鍵詞：近場地震；鋼筋混凝土柱；低周反復荷載試驗；滯回曲線；變形；剪切破壞； 損傷模型 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 II Abstract Compared with far-field earthquakes，near-field earthquakes might cause a greater impact on structure, leading to worse damaging and stronger destructiveness. Due to various reasons, Short columns exist in practical project, and tend to be more liable to suffer damage than long columns. Also there is some difference between the two kinds of columns. Therefore it is necessary to put special emphasis on how short columns perform during near- field earthquakes, to avoid structural rupture, causing loss to human lives and properties. So far some research work have been taken by a postgraduate student about columns suffering bending failure under low cyclic loading experiments according to near-field earthquakes. In this case the research work of this paper contains four experiments concerning shear performance under a loading system considering near-field effects. Subjects of these experiments are as follow：designing and assembling of the specimens，comparing performance between columns with different height and different diameter of bars according to Near-field effects as well as fixing loading system according to each experiment，focusing a relevant measuring scheme to these experiments Comparing different effects near-field Earthquakes and far-field Earthquakes exert on the columns in these experiments. Make detailed description of the columns experimental phenomenon, including the first cracking of concrete, the yielding of vertical bars and horizontal hoops, the emergence and development of diagonal cracks, the phenomena of the concrete failure; Comparative analysis the test data collected, including hysteresis curve, energy dissipation, stiffness, relationship between steel and concrete, and deformation relationship between three components, bonding, shear and slipping. Verify the seismic performance of columns by comparison between each test. Some numerical simulation is done to compare the experiment results. Three damage models are used in evaluating each test. Through the comparison, advantages of each are picked out in accuracy of every stage during the experiment. At last the paper pick up a damage model fitting the damage status of a structure in the near-field earthquakes. Columns failing in bending and in shearing are also compared using damage models. Different reasons are discussed for damage formatting. Key Words：Near-field earthquake; Reinforced concrete columns; Low cyclic loading experiments; Hysteretic curve; Deformation Shear failure; Damage model 目 錄 學位論文原創(chuàng)性聲明.I 碩士學位論文 III 摘要.II Abstract.III 第 1 章 緒論.1 1.1 選題的背景及意義.1 1.2 近場地震及其特點.3 1.2.1 近場地震的定義.3 1.2.2 近場地震的特點.3 1.3 框架柱及其在地震中的破壞形態(tài).5 1.3.1 柱整體破壞.5 1.3.2 柱端破壞.6 1.3.3 短柱破壞.6 1.4 橋墩在地震中的破壞形式.7 1.4.1 彎曲破壞.7 1.4.2 剪切破壞.8 1.4.3 彎剪破壞.8 1.4.4 縱筋搭接破壞.9 1.5 國內(nèi)外關于圓形截面柱的研究.9 1.6 本文的研究意義.11 第 2 章 模型框架柱構件的試驗方案設計.13 2.1 試驗背景.13 2.2 構件設計.14 2.3 加載裝置.16 2.5 加載方式.20 2.4 測點布置和量測內(nèi)容.21 2.4.1 應變片布置.21 2.4.2 位移計布置.22 2.6 本章小結.24 第 3 章 圓形截面柱的試驗現(xiàn)象分析.25 3.1 概述.25 3.2 試驗現(xiàn)象綜述.25 3.2.1 模型柱 C-1 試驗.25 3.2.3 模型柱 C-2 試驗.26 3.2.3 模型柱 C-3 試驗.27 3.2.4 模型柱 C-4 試驗.29 3.3 滯回曲線分析.30 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 IV 3.4 滯回耗能分析.31 3.5 骨架曲線分析.33 3.6 承載力降低曲線分析.34 3.7 剛度退化分析.35 3.8 箍筋的應變分析.38 3.9 箍筋的抗剪貢獻分析.42 3.10 試驗柱的變形分析.46 3.10.1 試驗柱與基座的粘結變形.47 3.10.2 試驗柱的剪切變形.48 3.10.3 試驗柱的彎曲變形.49 3.11 本章小結.50 第 4 章 圓形柱模型的擬合.52 4.1 纖維模型簡介.52 4.2 考慮剪切效應的模型化方法的提出.53 4.3 有限元模型的建立.55 4.3.1 混凝土和鋼筋的本構模型.55 4.3.2 剪切材料.58 4.3.3 模型模擬.58 4.4 本章小結 .58 第 5 章 框架柱模型的損傷分析.60 5.1 概述.60 5.2 地震損傷模型.60 5.2.1 基于變形和疲勞的損傷的模型.60 5.2.2 基于變形和累積滯回耗能的組合模型.60 5.2.3 基于剛度損傷的模型.66 5.3 三種地震損傷模型計算結果的比較.67 5.4 不同破壞類型下的損傷情況比較.68 5.5 本章小結.70 結論與展望.71 參考文獻.73 致 謝.76 碩士學位論文 1 第 1 章 緒論 1.1 選題的背景及意義 地震是人類面臨的一種嚴重自然災害，現(xiàn)在科學認為，地球在其運動中會積累了巨 大的能量。在能量積累到一定程度時，便可能在地殼的薄弱區(qū)域釋放出來，或者引發(fā) 斷層的錯動，即地震。按照地震的成因，大致可分為以下幾種：由于地下深處巖層錯 動、破裂引起的構造地震；由于巖漿活動和氣體爆炸等引起的火山地震；洞穴崩塌引 發(fā)的陷落地震以及人工地震和誘發(fā)地震等。 基于現(xiàn)有科學手段，對地震的產(chǎn)生和影響的預報都還很有限，因此，人們通過在工 程結構的設計中考慮地震作用來提高結構的安全性能。目前國內(nèi)普遍采用的是通過設 計上的三水準設防目標和兩階段的設計方法來抵抗地震可能造成的影響。 盡管如此，世界各地發(fā)生的地震，依然給人類帶來了不同程度的損失。以下為近幾 次帶來大量人員傷亡和工程損失的地震： 1994 年 1 月 17 日太平洋標準時間 4 時 31 分，美國加利福利亞洲洛杉磯市中心西 北方向約 32km 位置發(fā)生里氏 6.7 級強烈地震，地震造成 65 人死亡，約 5000 人受傷。 震后統(tǒng)計的直接經(jīng)濟損失大約在 200 億美元左右。地震令洛杉磯的許多高架橋產(chǎn)生嚴 重影響，對 640 座橋梁進行的調查發(fā)現(xiàn)，有 9 座嚴重破壞，2 座中度破壞，17 座輕微 損壞，由于箍筋配置不夠，導致柱式橋墩發(fā)生剪切破壞或者彎剪破壞，是本次地震中 橋梁震害的主要特征1。 1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時 47 分，中國臺灣南投縣集集鎮(zhèn)附近發(fā)生里氏 7.3 級的強 烈地震。地震深度 8.0 公里。震中位置于北緯 23.85 度，東經(jīng) 120.82 度2。 地震為中部車籠埔地區(qū)斷層錯動所引發(fā)的內(nèi)陸淺源地震，其破壞力相當大，在震中附 近的南投縣、臺中縣造成極大的震害，甚至臺北地區(qū)亦有不少震害發(fā)生。根據(jù)臺灣氣 象局地震實時測報網(wǎng)收錄資料報告，各地震度以最大地表加速度值(PGA)表示。南投實 時測報站的記錄水平向 PGA 值達 989gal，相當于 1G(一個重力加速度)。截至 1999 年 12 月 1 日已有 2405 人死亡(含失蹤)及 11306 人受傷，其中重傷 4139 人，受災民眾達 約 31 萬人，占臺灣總人口 1.4，房屋毀損 9.6 萬戶，占臺灣總戶數(shù) 1.5，有形財物 損失估計約 3412 億元(107 億美元)，其損害之大，影響之廣，根據(jù)鄭世楠統(tǒng)計的百年 來臺灣十大災害地震，集集地震是臺灣一百年以來最大的地震，所造成的傷亡與損失 僅次于 1935 年發(fā)生于新竹州關刀山附近(在今苗栗縣境)的大地震(震級 7.1(ML,CWB)， 造成 3276 人死亡，12053 人受傷)3。 2008 年 5 月 12 日 14 時 28 分，我國四川省汶川縣發(fā)生里氏 8.0 級地震。震中在北 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 2 緯 30.986 度，東經(jīng) 103.364 度，震源深度 14 千米。受震地區(qū)烈度為 9 度以上區(qū)域面積 達到 13301 平方公里，破壞極其嚴重，分布區(qū)域緊靠發(fā)震斷層，沿斷層走向呈現(xiàn)為帶 型分布。截止至 2008 年 9 月 25 日，確認為 69227 人遇難，17923 人失蹤，374623 人 受傷，直接經(jīng)濟損失 8451 億元。汶川地震為構造地震，青藏高原所在的板塊向東部長 期擠壓積累的巨大的構造應力，在北川-映秀地區(qū)突然釋放出來，持續(xù)時間較長，且震 源深度較淺，造成極大破壞。 2010 年 4 月 14 日，我國青海省玉樹藏族自治州玉樹縣(北緯 33.2 度，東經(jīng) 96.6 度)發(fā) 生里氏 7.1 級地震，震源深度 14 千米4。該地區(qū)位于高海拔地區(qū)，經(jīng)濟水平較為落后， 同時醫(yī)療設施不足，交通不便，加之災區(qū)建筑多為土木結構，強震后此類型房屋幾乎 全部倒塌，為震后的救援工作增加了難度。至 2010 年 4 月 25 日下午 15 時，玉樹地震 共造成 2220 人遇難，70 人失蹤。與汶川地震的逆沖型不同，玉樹地震為走滑型地震， 且斷層的滑動速度快得多。 2011 年 03 月 10 日 12 時 58 分，我國云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣(北緯 24.7 度，東經(jīng) 97.9 度)發(fā)生里氏 5.8 級地震，震源深度約 10 公里。之后連續(xù)發(fā)生數(shù)次 4 級左右的余震，至 3 月 12 日 9 時，盈江地震共造成 25 人死亡，314 人受傷，18445 間房屋倒塌，造成直接經(jīng)濟損失 164712.64 萬。 以上僅為我國近年間的地震的一個縮影，實際上世界上頻繁出現(xiàn)地震，給人類的 正常生活帶來巨大的危害，研究和預防地震的工作，其意義是十分現(xiàn)實而迫切的。以 上列舉的數(shù)次地震，有著一個共同特點，即地震深度較淺，造成的損失巨大，近場效 應十分明顯，對工程結構的危害尤為嚴重。我國及世界上多數(shù)國家在設計中使用振型 反應譜理論對結構進行抗震設計來滿足結構抵抗地震的要求。但是現(xiàn)存的反應譜理論 基本是基于大量中遠場地地震記錄和統(tǒng)計而成。而近場地震的反應譜與之有較大的差 別。這樣就可能導致實際結構在遭受近場地震的時候可能會達不到預定的抗震要求。 我國規(guī)范對于近場地震，對發(fā)震斷層避讓有所規(guī)定5：第 4.1.7 條：場地內(nèi)存在發(fā)震斷 裂時，應對斷裂的工程影響進行評價，并應符合下列要求： 1 對符合下列規(guī)定之一的情況，可忽略發(fā)震斷裂錯動對地面建筑的影響： 1)抗震設防烈度小于 8 度； 2)非全新世活動斷裂； 3)抗震設防烈度為 8 度和 9 度時，前第四紀基巖隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別 大于 60m 和 90m。 2 對不符合本條 1 款規(guī)定的情況，應避開主斷裂帶。其避讓距離不宜小于表 1.1 對 發(fā)震斷裂最小避讓距離的規(guī)定。括號內(nèi)為原 01 規(guī)范要求。 表1.1 發(fā)震斷裂的最小避讓距離(m) 碩士學位論文 3 建筑抗震設防類別 烈度 甲乙丙丁 8專門研究200(300)100(200) 9專門研究400(500)200(300) 可以看到，與 01 規(guī)范相比，10 規(guī)范做了部分修改，適度的減少了避讓距離，而 且規(guī)定在確實需要于必然范圍內(nèi)修建房屋時，僅限造于建造分散的、不超過三層的丙、 丁類建筑。同時應按提高一度采取抗震措施，并提高基礎和上部結構的整體性，且不 得跨越斷層。盡管如此，我國乃至世界對近場地震的研究仍有待加強。對近場地震以 及結構在近場地震下的性能進行研究，仍然具有重要的的現(xiàn)實意義。 1.2 近場地震及其特點 1.2.1 近場地震的定義 地震學中，近場地震被認為是當震源距比較小時，由震源輻射的地震波中近場項 和中場項不能被忽略的區(qū)域所遭受的地震動。與普通的中遠場地震相比，近場地震破 壞力更加強烈。工程中還有一個名詞是近斷層地震，是指因為斷層的機制和特性與普 通地震不同，使得地震的特性也隨之存在的差異，近斷層地震強烈依賴于斷層的破壞 機制。大部分研究人員將距離斷層破裂面小于 20km 的區(qū)域看成近斷層區(qū)域6。 Mavrocidis6和 Bray7在統(tǒng)計近斷層地震動衰減關系和速度脈沖時都使用斷層距離小于 20km 以內(nèi)的地震動，認為近斷層地震動是強烈地依賴于斷層的破裂機制，包含明顯的 破裂方向性效應和地面永久位移的地震動。也即是說，近斷層地震動具有一些明顯的 特征，這些特征不是所有的近場區(qū)域的地震動都具有的；在近斷層區(qū)域，由于距離斷 層很近，近場和中場項顯然不能被忽略，因此近斷層地震動應該包含在近場地震動的 定義內(nèi)6-8。 1.2.2 近場地震的特點 1.2.2.1.方向性效應 在近斷裂區(qū)域，斷層幾何形態(tài)對地震動幅值的影響很大，場地上由地震動引起的 破裂方向性效應，由破裂面上破裂的傳播和剪切位錯輻射引起；當破裂方向與場地傳 播的方向相同時，且滑動方向和場地成一條線的時候，產(chǎn)生向前的方向性效應，使得 場地地震動的持續(xù)時間縮短，而反應譜的幅值則會變大。即前方向性效應，后方向性 效應則與之相反，即破裂的方向遠離場地傳播，相對應的特點為地震動持續(xù)時間更長， 長周期的反應譜幅值相對降低9。 1.2.2.2.速度脈沖效應 近場地震記錄得到的地震時程曲線有個明顯的特點，即記錄中脈沖現(xiàn)象明顯，特 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 4 別是位移和速度脈沖。共同特點是周期持續(xù)時間比較長和脈沖的峰值較大。例如圖 1.1 所示。 Time sec 9080706050403020100 Velocity cm/sec 60 40 20 0 -20 -40 圖 1.1 臺灣 9.21 集集地震某臺站記錄的速度脈沖(TCU128) 1.2.2.3.上盤效應 上盤效應是近斷層地震動的另一個重要特點。上盤效應出現(xiàn)在斜斷層中，這是由 距斷層延伸至地表處相同距離的場地位于上盤的場地要比下盤更接近斷層引起的，如 圖。表現(xiàn)為上盤地震動和下盤地震動加速度峰值之間存在著系統(tǒng)差異，上盤明顯高于 下盤，并且上盤地震動加速度峰值衰減比下盤緩慢。 下盤 上盤 LL R1 R2 B A 圖 1.2 上盤效應示意圖 臺灣集集地震為一次典型的逆斷層地震，震級較大，強度記錄分布比較好，地表 斷裂清晰，俞言祥、高孟潭9的研究結果進一步證實了存在近場地震動的逆斷層型地震 上、下盤效應。 1.2.2.4.豎向加速度效應 我國目前在大跨和超高層的結構抗震設計中，計算豎向地震時考慮豎向地震的影 響，一般是按水平地震的某一比例來確定。我國新的抗震規(guī)范5的第 5.1.4 條對豎向地 震增加可對大跨度空間結構的要求，允許采用豎向振型分解反應譜的方法計算。豎向 地震影響系數(shù)可取為規(guī)范中水平地震影響系數(shù)的 65%，特征周期可按照設計分組第一 組計算。統(tǒng)計的結果表明，在距離發(fā)震斷裂 10km 以內(nèi)的場地，豎向反應譜的最大值可 能接近于水平譜，但是特征周期小于水平譜。 碩士學位論文 5 1.3 框架柱及其在地震中的破壞形態(tài) 框架結構是梁柱以剛接或者鉸接的方式連接，形成承重體系的結構?？蚣艿牧褐?共同承擔水平和豎向荷載。我國鋼筋混凝土框架結構的房屋與建筑應用得十分廣泛， 框架結構大量應用于商店、辦公、廠房和住宅等?？蚣芙Y構具有空間分割靈活、自重 輕、建筑成本相對較少和便于施工等特點。但是，也存在著許多的不足，比如框架結 構梁柱節(jié)點處的應力集中不可避免，抗側向剛度較小，在較大的水平荷載，如地震， 臺風等作用下，結構在水平方向將產(chǎn)生很大的水平位移，有可能對框架結構產(chǎn)生嚴重 的影響。施工中構件數(shù)量多，工序較多，節(jié)點、接頭處工作量大。 框架柱作為框架結構的豎向受力構件，在地震中若是破壞，將對整個結構的安全 產(chǎn)生嚴重影響，因此，在設計中希望框架柱的破壞后于框架梁的破壞，因為梁的破壞 是構件破壞，屬于局部破壞，即強柱弱梁的設計思想。目的是在強震的作用下，先在 梁端出現(xiàn)塑性鉸，耗散地震能量，再在柱端出現(xiàn)塑性鉸，最后才是結構的倒塌破壞。 為結構中的人提供逃離的機會。但若是柱子先于梁發(fā)生破壞，那么結構直接轉變?yōu)闄C 構體系，也就談不上耗散能量了。 然而在 1999 年臺灣集集地震和 2008 年我國四川汶川大地震中，許多破壞的框架 結構表明，強柱弱梁并沒有良好的體現(xiàn)，不少破壞的房屋甚至出現(xiàn)了強梁弱柱的破壞 特征。大致可以分為以下幾類。 1.3.1 柱整體破壞 在許多底層框架中發(fā)生底層柱整體破壞，導致整個結構發(fā)生傾斜或者垮塌。該破 壞方式下對整體結構的危害巨大，其原因多是因為上部磚混結構縱橫墻布置較密，重 量大的同時，抵抗側移的剛度也比底層大，形成上剛下柔的結構體系。地震中底層的 位移反應比上部劇烈。圖 1.3 和圖 1.4 為集集地震中底層柱破壞的照片。 圖 1.3 臺灣南投縣水土保持局一樓壓垮10 圖 1.4 南投縣某騎樓建筑整體傾倒壓毀10 1.3.2 柱端破壞 為數(shù)眾多的框架結構破壞發(fā)生在框架底層柱上端，柱底未發(fā)生破壞11。主要原因 是因為多為陳舊性建筑，設計上依照的標準對結構抗震考慮不夠，或者沒有按照要求 施工，框架柱端部箍筋不足，在地震中框架柱縱筋發(fā)生較大的變形，破壞嚴重；圖 1.5 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 6 為汶川地震中某建筑底層柱的破壞形態(tài)。順遠坤、李碧雄31在對汶川地震的破壞情況 調查中發(fā)現(xiàn)許多破壞的結構在柱端周圍有水平裂縫、斜裂縫，或交叉裂縫。嚴重者混 凝土壓碎崩落,柱內(nèi)箍筋拉斷,縱筋壓屈外凸呈燈籠狀,上部梁、板傾斜。 圖 1.5 底層柱頂彎曲破壞11 圖 1.6 柱端塑性鉸12 1.3.3 短柱破壞 由于填充墻或者錯層的原因，以及樓梯間位置，由于梯梁的影響，形成局部短柱。 短柱的破壞也是汶川地震中的一個較為普遍的破壞形式。短柱破壞多為剪切破壞。 主要表現(xiàn)為箍筋被拉斷、混凝土沿著斜向裂縫發(fā)生破壞。原因是地震中短柱的相對 剛度較大，在結構變形中容易產(chǎn)生應力集中。因此在地震作用下，破壞比長柱要嚴 重些。 (a)短柱發(fā)生剪切破壞 (b)房屋另一側的短柱剪切破壞 圖 1.7 填充墻引起的柱破壞11 碩士學位論文 7 圖 1.8 樓梯間短柱破壞12 1.4 橋墩在地震中的破壞形式 橋梁結構是近代交通系統(tǒng)的重要組成部分之一，在國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中起著不 可替代的重要作用。20 世紀末以來，國內(nèi)外發(fā)生了數(shù)次破壞性較為嚴重的地震，如 1994 年的美國 Northridge 地震、1999 年中國臺灣集集地震、2008 年我國四川汶川地震， 說明近代鋼筋混凝土橋梁結構與建筑結構一樣，具有較高的地震易損性。橋墩是橋梁 結構中主要的抗側力構件，在近幾次地震中的典型破壞形態(tài)介紹如下。 1.4.1 彎曲破壞 橋墩截面小，或者剪跨比較大時，由于抗彎強度不夠或者延性不足而引起。依據(jù) 破壞程度的不同，在中等破壞級以下，柱端塑性鉸區(qū)混凝土保護層壓碎、受力方向出 現(xiàn)水平彎曲裂縫，縱筋、箍筋屈服；嚴重破壞時塑性鉸區(qū)域核心混凝土壓潰，縱筋嚴 重屈服或者拉斷，箍筋拉斷。圖 1.9 為汶川地震中映秀鎮(zhèn)高樹大橋彎曲破壞的橋墩圖片。 王東升13分析該橋破壞的主要原因是橋梁不能適應很大的斷層地表位移而首先發(fā)生落梁。 發(fā)現(xiàn)斷層地表位移從附近涵洞小橋處估計豎向接近 50cm，水平接近 100cm，對岸側斷 層地表隆起高達 2 米以上。 圖 1.9 映秀鎮(zhèn)高樹大橋柱頂彎曲塑性鉸(最右側橋墩)13 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 8 1.4.2 剪切破壞 當橋墩截面較大，而剪跨比較小，箍筋配置不足時，易發(fā)生剪切破壞。柱端塑性 鉸區(qū)混凝土壓碎脫出，箍筋被拉斷，縱筋發(fā)生屈曲，橋墩出現(xiàn)肉眼可見的斜向剪切滑 移裂縫。發(fā)生剪切破壞的橋墩耗能能力較差，延性系數(shù)很小，歸屬于脆性破壞。圖 1.10 為 1995 年 1 月日本 Kobe 地震中發(fā)生剪切破壞的橋墩。 圖 1.10 Kobe 地震中發(fā)生剪切破壞的橋墩 1.4.3 彎剪破壞 該破壞類型介于前文兩種破壞類型之間，圖 1.11 為日本 Kobe 大地震中，位于神 戶市東難區(qū)深江地區(qū)的阪神高速公路上連續(xù) 17 個橋墩傾倒，635 米橋面坍塌。 (a)局部視圖 (b)俯視圖 圖 1.11 Kobe 地震中發(fā)生倒塌的橋墩 碩士學位論文 9 1.4.4 縱筋搭接破壞 為了施工方便，早期設計的很多橋墩的縱向鋼筋不是貫通的，而是在底座設置搭 接，該位置恰好是橋墩在地震力作用下形成的塑性鉸區(qū)域。當搭接長度不足且箍筋間 距較大而不能有效約束橋墩時，可能在搭接處發(fā)生粘結破壞。 1.5 國內(nèi)外關于圓形截面柱的研究 Watson 和 Park 做了 11 根鋼筋混凝土柱的偽靜力試驗，截面包括方形和正八邊形， 變量包括軸壓比、強度、配筋率和配箍率。試驗中的破壞特征包括縱筋斷裂、箍筋斷 裂和承載力喪失。根據(jù)試驗結果，提出混凝土由于約束作用，增強的效果比 Mander 的 約束模型估計的稍大，對于抗彎能力提高系數(shù)和延性估計都偏保守。提出了基于試驗 數(shù)據(jù)的建議箍筋布置公式，通過對塑性鉸區(qū)域長度的測量和比較提出對于端部加密區(qū) 分布長度的建議14。 Phan 和 Saiid 設計了震動臺試驗，考察兩個鋼筋混凝土橋梁柱模型在經(jīng)受近斷層 地震的脈沖式作用下的反應，著重研究了殘余位移的影響，認為近斷層地震的前方向 性效應明顯，產(chǎn)生很大的殘余變形，提出了相應的滯回模型15。 Ang、Priestley 對 25 根模擬橋梁混凝土圓柱進行了恒定軸力的擬靜力試驗，提出 由于抗彎強度估計偏保守，因此對于最大抗彎承載力對應的剪力估計不足，在設計上 可能偏于不安全，提出：隨著抗彎承載能力變化的抗剪承載力主要依賴于延性位移的 大小16。 Yan Xiao 等采用仿建研式加載裝置，對 6 根混凝土圓形柱進行抗剪方面的試驗研 究，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，提出了高強混凝土的抗剪公式。對混凝土抗剪能力隨著延性 系數(shù)的變化關系做出一定的修正：提出變形極限由混凝土壓潰和縱筋屈曲而決定， ACI426 規(guī)范略微高估了高強混凝土構件抵抗剪力的能力17。 Brown 等人針對已有的部分橋墩和柱是基于老規(guī)范修建，不能滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求， 該類結構在近斷層地震下的響應情況。分別用振動臺模擬近遠場地震對它們的影響。 得出結論包括：近場地震會造成較大的應變、曲率和變形，骨架曲線和遠場地震情況 下區(qū)別不大18。 管品武等人通過 10 個鋼筋混凝土模型柱的抗剪試驗，研究柱端塑性鉸區(qū)域的破壞 形態(tài)、破壞特征等，討論了構件在塑性鉸區(qū)按破壞類型分類的標準。若是由于縱筋屈 服以及受壓區(qū)的壓潰，則構件發(fā)生彎曲破壞；若是縱筋屈服后，承載能力變化不明顯， 然而斜裂縫開展，與之相交的箍筋逐漸屈服或者混凝土被壓碎，則歸屬于彎曲剪切破 壞。構件屈服后，由于加載次數(shù)增多導致構件因為粘結破壞喪失穩(wěn)定的承載能力，則 為彎曲粘結破壞19。 郭子雄和呂西林通過對 7 個常規(guī)的框架柱的低周反復試驗，研究高軸壓比下框架柱 近場地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 10 的抗震性能及軸壓比的影響。對試件的整體變形和塑性鉸區(qū)域的變形測量并分