空心橋墩抗震研究綜述

空心橋墩抗震研究綜述

0空心橋墩抗震問題在大型橋梁施工中，空心截面橋墩占地面積大，通常位于高地震烈度地區(qū)。由于國內(nèi)外尚缺乏空心橋墩震害經(jīng)驗,且試驗、理論研究儲備相對不足,空心橋墩抗震問題遠未解決。目前,中國空心橋墩抗震設(shè)計依據(jù)的《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02-01—2008)和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)均未對空心橋墩的抗震設(shè)計給予特別關(guān)注,僅套用實心橋墩抗震的一般性原則。由于截面形式的特殊性,空心橋墩抗震問題尤為突出,首先,空心橋墩截面形式是對結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的“強剪弱彎”抗震設(shè)計原則的挑戰(zhàn);其次,空心截面形式不利塑性鉸的形成和發(fā)展;第三,薄壁空心橋墩在地震下易發(fā)生失穩(wěn)破壞,抗震穩(wěn)定性問題突出;第四,受墩高和復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)形式的影響,空心橋墩地震反應(yīng)振型復(fù)雜,地震下空心橋墩(高墩)將受到復(fù)雜的彎-剪-扭耦合作用,對其抗震能力十分不利。目前,國內(nèi)外對實心橋墩抗震問題進行了大量研究并取得了若干進展,對空心橋墩抗震問題,盡管國內(nèi)外學(xué)者針對高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力進行了不少探索,但重點在于高墩(空心橋墩)動力特性和地震反應(yīng),對空心橋墩實際的延性變形能力和抗剪強度缺乏合理認識,遠未實現(xiàn)延性抗震設(shè)計目標,這與空心橋墩在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用很不相稱。為引起廣大科技和工程技術(shù)人員對空心橋墩抗震問題的了解和重視,本文首先對中國部分鐵路和公路橋梁中空心橋墩的應(yīng)用情況進行分析,總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于空心橋墩抗震問題的研究進展,并在此基礎(chǔ)上指出了空心橋墩抗震需要進一步研究的方向和問題。1中國空心橋梁應(yīng)用總結(jié)1.1空心橋墩壁厚比參數(shù)的定義壁厚比、剪跨比和薄壁的寬厚比是影響空心橋墩抗震能力的主要因素。Taylor等定義了薄壁無約束部分的長度與壁厚的比值為寬厚比,用以研究薄壁墩的局部穩(wěn)定性問題;本文定義空心橋墩壁厚與截面一半寬度的比值為壁厚比,用以進一步體現(xiàn)空心橋墩截面形式的特殊性?？招臉蚨諜M橋向截面寬度b、縱橋向截面寬度h、橫橋向包括倒角在內(nèi)的壁厚z與無約束段壁厚t1、縱橋向包括倒角在內(nèi)的壁厚y與無約束段壁厚t2等參數(shù)的定義見圖1。橫橋向壁厚比c1、縱橋向壁厚比c2、橫橋向?qū)捄癖圈?、縱橋向?qū)捄癖圈?分別定義為c1=2t1b(1)c2=2t2h(2)ξ1=h?2yt1(3)ξ2=b?2zt2(4)c1=2t1b(1)c2=2t2h(2)ξ1=h-2yt1(3)ξ2=b-2zt2(4)由于橋墩縱橋向剪跨比的確定較為復(fù)雜,本文僅以橫橋向剪跨比進行統(tǒng)計分析,直接將橋墩高度與橫橋向墩底截面寬度的比值定義為橫橋向(參考)剪跨比。1.2空心橋墩抗震試驗對比為了解空心橋墩在中國橋梁工程中的應(yīng)用背景,收集了國內(nèi)6座大型鐵路橋梁和26座大型公路橋梁中35個鐵路橋梁空心橋墩及97個公路橋梁空心橋墩設(shè)計情況。收集的鐵路和公路空心橋墩的墩高H、橫橋向和縱橋向壁厚比c1、c2及橫橋向(參考)剪跨比λ等參數(shù)的設(shè)計情況見表1,各參數(shù)的具體分布情況見圖2、3。本文統(tǒng)計的鐵路橋梁空心橋墩為矩形單箱和圓端型單箱,而公路橋梁空心橋墩均為矩形截面,包括矩形單箱、雙箱和三箱等形式。同時,為突出薄壁空心橋墩的應(yīng)用情況,整理了部分公路橋梁空心橋墩壁厚比c和薄壁寬厚比ξ的對應(yīng)關(guān)系,見圖4。圖5為國內(nèi)外文獻收集到的74個矩形空心橋墩抗震試驗數(shù)據(jù)分布,包括剪跨比、壁厚比和薄壁寬厚比等[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。對比目前國內(nèi)外對矩形空心橋墩開展的試驗研究情況和矩形空心橋墩在中國橋梁工程中的應(yīng)用情況(圖2~5)可以看出,目前國內(nèi)外對空心橋墩抗震問題開展的研究集中于中低墩,剪跨比普遍在8.0以下,而中國公路橋梁中空心橋墩橫橋向(參考)剪跨比大于10.0的高墩普遍應(yīng)用;同時,國內(nèi)外針對薄壁墩開展的研究明顯不足,圖2~4表明,壁厚比小于0.20的薄壁墩在中國橋梁工程中應(yīng)用廣泛,而目前文獻中僅Pinto等完成了1個壁厚比小于0.20的薄壁墩試驗。Taylor等針對矩形薄壁空心橋墩進行的靜力壓彎試驗表明,空心橋墩薄壁寬厚比大于15.0時,可能會因局部失穩(wěn)破壞而影響橋墩的極限承載力;薄壁寬厚比大于10.0的空心橋墩在中國橋梁工程中廣泛應(yīng)用,而文獻所見的空心橋墩抗震試驗薄壁寬厚比最大僅為10.0,且試驗數(shù)據(jù)集中在5.0以下,這都充分表明空心橋墩抗震問題研究的滯后性。2空心橋的抗疲勞性能研究2.1空心橋墩的延性空心橋墩抗震研究的開創(chuàng)性工作是由Park領(lǐng)導(dǎo)完成的,Mander和Zahn分別完成了4個矩形和6個圓形空心橋墩抗震擬靜力試驗,截面形式見圖6。主要結(jié)論為:對矩形空心橋墩,強調(diào)了箍筋的約束效應(yīng)對空心橋墩延性、耗能能力及抗彎承載力的有利作用;對圓形截面空心橋墩,則強調(diào)了抗彎中性軸位置對保證其延性抗震能力的重要性,由于空心橋墩內(nèi)側(cè)混凝土難以被有效約束,中性軸位置距內(nèi)側(cè)混凝土越近,混凝土則不易壓碎破壞,從而保證了橋墩的延性。但值得關(guān)注的是,他們研究的圓形截面試件僅沿截面外側(cè)配置了縱筋和約束箍筋,過多的縱筋配筋率(配筋率最高達5.4%)易造成截面抗彎中性軸遠離空心橋墩內(nèi)壁,而內(nèi)側(cè)混凝土的脆性壓碎破壞又使得外側(cè)的箍筋難以有效發(fā)揮約束作用,這些都是造成Zahn的試件延性較差的重要原因。在Priestley領(lǐng)導(dǎo)下,Hoshikuma在美國加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)進行了5個圓形薄壁空心橋墩的擬靜力試驗,試件截面形式同圖6(b)。試驗結(jié)果同樣表明,內(nèi)側(cè)混凝土的壓碎破壞仍是控制圓形空心橋墩抗震能力的主要因素,強調(diào)了過高的縱筋配筋率對空心橋墩抗震的不利作用。同時,剪跨比為2.5的2個試件發(fā)生了剪切破壞,分析表明,軸力對空心橋墩抗剪承載力的有益作用要遠小于實心墩試件,并建議忽略軸力對空心橋墩抗剪強度的貢獻。2.2空心橋墩抗震加固理論研究日本學(xué)者Ogata等以1995年Kobe地震后日本進行的橋梁抗震加固為工程背景,設(shè)計了5個圓形截面空心橋墩,試件壁厚沿墩高逐漸變小并在變截面處截斷縱筋,通過擬靜力試驗驗證了FRP加固空心橋墩的有效性,并在此基礎(chǔ)上提出了空心橋墩抗震加固的設(shè)計建議。理論研究方面,為有效模擬空心橋墩的倒塌破壞過程,日本學(xué)者對空心橋墩中混凝土的壓碎和縱筋的屈曲破壞過程建立了精細化的分析模型,將混凝土保護層、箍筋和拉結(jié)筋均用彈塑性彈簧模擬,縱筋則用帶有固定端的梁模擬。模型中考慮了箍筋的約束效應(yīng)、縱筋塑性彎曲剛度、試件初始變形以及混凝土保護層的受拉和約束效應(yīng)等。通過與試驗結(jié)果的對比表明,模型很好地模擬了空心橋墩的彎矩-曲率反應(yīng)以及混凝土壓碎和縱筋的屈曲破壞過程。2.3德國對空心橋抗的研究2.3.1空心橋墩結(jié)構(gòu)表征新規(guī)范設(shè)計的進展歐洲關(guān)于空心橋墩抗震最著名的研究是在Pinto領(lǐng)導(dǎo)下完成的。在Pinto領(lǐng)導(dǎo)下,歐洲委員會JRC(JointResearchCenter)首先以奧地利一座1975年設(shè)計的具有代表意義的未考慮抗震要求的空心橋墩為研究對象,在歐洲ELSA(EuropeanLaboratoryforStructuralAssessment)實驗室完成了2個大比例(1∶2.5)矩形空心橋墩模型的擬靜力試驗,截面形式見圖7(a)。試件包含按舊規(guī)范設(shè)計橋墩的典型抗震缺陷,如塑性鉸區(qū)縱筋截斷且搭接長度不足,縱筋和箍筋配筋率偏低以及明顯不合理的配箍構(gòu)造措施等,試驗結(jié)果表明,歐洲未考慮抗震要求的空心橋墩延性及耗能能力較差。他們還設(shè)計了2個符合歐洲新規(guī)范要求的矩形空心橋墩擬靜力試驗,截面形式見圖7(b),試驗結(jié)果表明,按新規(guī)范設(shè)計的空心橋墩抗震能力明顯增強。在Pinto領(lǐng)導(dǎo)下,歐洲ELSA實驗室以空心橋墩作為試驗子結(jié)構(gòu),針對某多跨連續(xù)梁橋在世界上首次成功實現(xiàn)了大比例模型的子結(jié)構(gòu)擬動力試驗。研究成果除有效驗證了按歐洲新規(guī)范設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力外,更主要的貢獻在于對子結(jié)構(gòu)擬動力試驗這一試驗手段的探索。在對偽動力試驗結(jié)果進行的數(shù)值模擬中,他們也認識到纖維模型進行空心橋墩抗震數(shù)值模擬的幾個不足,如縱筋拔出的考慮,橋墩非線性剪切對總體變形能力的影響等。其后,他們基于STM模型考慮空心橋墩的非線性剪切變形,并與基于Timoshenko梁單元的纖維模型耦合,發(fā)展了空心橋墩抗震的數(shù)值分析技術(shù),與試驗結(jié)果的對比驗證了模型的準確性。在空心橋墩抗震加固方面,Tsionis等總結(jié)了鋼筋混凝土空心橋墩的抗震試驗結(jié)果,指出按舊規(guī)范設(shè)計的空心橋墩的變形能力遠不能滿足抗震要求,他們基于有限元模型和纖維模型研究了FRP加固矩形空心橋墩的變形能力,并提出了FRP加固空心橋墩的抗震設(shè)計公式。2.3.2空心橋墩的彎剪和剪切破壞葡萄牙學(xué)者首先完成了4個矩形空心矮墩(剪跨比均為3.3)的抗震擬靜力試驗,試件截面形式類似于圖7(a)中的未經(jīng)抗震設(shè)計試件,用以研究空心矮墩的抗剪薄弱性及震后修復(fù)技術(shù)。試驗結(jié)果表明,空心橋墩均發(fā)生彎剪或剪切破壞。震后修復(fù)試驗表明,采用內(nèi)置箍筋和外包CFRP材料,經(jīng)仔細設(shè)計和修復(fù)的空心橋墩試件均發(fā)生彎曲破壞,表現(xiàn)出良好的抗震能力,且強度和延性大大提高。Faria等采用考慮混凝土受拉和受壓退化的雙標量損傷變量模型和描述縱筋低周反復(fù)效應(yīng)的Menegotto-Pinto模型,對歐洲委員會JRC完成的4個矩形空心橋墩進行了詳細的建模,對高墩(彎曲變形起控制作用)和矮墩(剪切影響較大)試件的滯回性能進行了成功的模擬。2.3.3空心橋墩抗剪性能意大利學(xué)者Calvi等基于擬靜力試驗并與現(xiàn)有橋墩抗剪計算公式進行對比,研究了按舊規(guī)范設(shè)計的空心橋墩的抗震能力。橋墩截面形式見圖8,橋墩包括按舊規(guī)范設(shè)計的典型抗震缺陷,如箍筋用量嚴重不足,抗剪強度不足,縱筋的不合理截斷等,試驗結(jié)果再次驗證了空心橋墩的抗剪薄弱性。與橋墩抗剪分析計算公式的對比表明,UCSD模型和UCB模型較好地預(yù)測了空心橋墩的抗剪能力。同時,針對空心橋墩的抗震薄弱性,Pavese等進行了FRP加固空心橋墩的抗震性能試驗和理論分析,結(jié)果表明,橫向包裹的FRP材料大大提高了空心矮墩的抗剪承載力、延性和耗能能力,對于彎剪破壞試件,加固方式仍較好地提高了空心橋墩的抗震能力,而對于含有縱筋搭接的空心橋墩試件,由于縱向FRP材料在柱底的破壞,加固效果并不理想。為進一步研究外包CFRP對方形截面空心橋墩抗震能力的影響,意大利學(xué)者Lignola等完成了7個方形截面空心橋墩的壓彎試驗,試件截面形式類似于圖8(a),并在試驗基礎(chǔ)上發(fā)展了CFRP約束方形截面空心橋墩的彎矩-曲率、荷載-位移分析模型。研究表明,CFRP有效延緩了混凝土的壓碎和縱筋的屈曲破壞過程,并由此提高了空心橋墩的強度和變形能力。2.3.4空心橋墩抗彎性能斯洛文尼亞學(xué)者Isakovic等以中歐20世紀70年代建造的空心橋墩為原型,完成1個矮墩模型和1個高墩模型的擬靜力試驗,截面形式見圖9。試件的抗震缺陷包括縱筋在塑性鉸區(qū)截斷且配置于箍筋外側(cè),配箍量明顯不足,縱筋及箍筋均采用光圓鋼筋等。試驗結(jié)果表明,盡管橋墩的抗震設(shè)計缺陷明顯,但由于試驗軸壓比較低,試件仍表現(xiàn)出不錯的抗震能力,矮墩發(fā)生了彎剪破壞,高墩發(fā)生了彎曲破壞。研究者還進行了空心橋墩滯回性能的數(shù)值模擬和抗剪強度分析工作,他們首先以Drain3DX程序的梁柱單元進行了空心橋墩抗彎能力的數(shù)值模擬,并以此作為抗剪需求,與歐洲Eurocode8規(guī)范和UCSD模型中規(guī)定的橋墩抗剪能力進行對比,預(yù)測空心橋墩的破壞模式和破壞位置,并與試驗結(jié)果進行了對比分析。研究表明,各模型計算的橋墩抗剪能力差異非常大,且準確度不高,空心橋墩抗剪問題仍未得到很好解決。2.4中國科學(xué)家的研究2.4.1空心橋墩結(jié)構(gòu)加固研究為進一步提高臺灣的交通運輸能力,20世紀末臺灣啟動了高速鐵路計劃,由于高速鐵路中使用的空心橋墩截面、配筋形式不同于以往研究的空心橋墩,臺灣學(xué)者對其抗震性能進行了一系列的研究,空心橋墩截面形式見圖10,研究內(nèi)容涉及空心橋墩中混凝土的本構(gòu)模型、空心橋墩的抗彎和抗剪能力、延性和耗能特征、空心橋墩抗震數(shù)值分析模型、空心橋墩的抗震加固和震后修復(fù)技術(shù)等。研究主要得出以下結(jié)論[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]:隨軸力增大,橋墩抗剪強度增加,但延性降低;隨配箍的增多,橋墩抗剪強度和變形能力均增加,箍筋配置不足且在塑性鉸區(qū)含有縱筋搭接的橋墩易發(fā)生搭接縱筋的粘結(jié)破壞,延性較差;外包CFRP可有效增加空心橋墩的延性和耗能能力,且CFRP加固圓形截面橋墩的效果優(yōu)于方形橋墩;使用CFRP和“狗骨式桿”對震后破壞的橋墩進行修復(fù)可使震后破壞橋墩的抗震性能得到有效恢復(fù)。2.4.2空心橋墩變形能力的研究理論研究方面,弓俊青等針對鐵路常用空心圓端截面橋墩的形狀和特征,通過對鋼筋混凝土空心圓端墩柱截面的彎矩-曲率分析,討論了軸壓比、配箍率、直邊長度和壁厚對截面彎曲承載力與延性的影響。結(jié)果表明,由于直邊的存在,使得空心圓端截面的彎曲承載力大于相同直徑的空心圓形截面橋墩,而其延性卻減小;增大橋墩配箍可有效提高其彎曲承載力和延性,且空心橋墩內(nèi)徑的變化對其延性有較大影響。為精細模擬鋼筋混凝土空心橋墩在靜力推覆荷載作用下的破壞過程,禚一等在ABAQUS軟件基礎(chǔ)上開發(fā)了一種精細化的纖維梁柱單元分析平臺FENAP,對中國西部山區(qū)一空心高墩進行了Pushover分析,模擬了橋墩從混凝土開裂、縱筋屈服到混凝土壓碎破壞的完整過程,并通過與OpenSees計算結(jié)果的對比,驗證了模型的精度。孫治國等基于纖維單元模型建立了鋼筋混凝土空心橋墩的滯回分析模型,在驗證模型準確性的基礎(chǔ)上討論了縱筋、壁厚、混凝土強度、剪跨比等因素對空心橋墩變形能力的影響,獲得了彎曲破壞空心橋墩變形能力影響因素的初步認識。并基于收集到的71個矩形空心橋墩擬靜力試驗數(shù)據(jù),討論了影響空心橋墩變形能力的主要因素,給出了矩形空心橋墩塑性鉸區(qū)約束箍筋用量的計算公式。在試驗研究方面,宋曉東和劉林同期開展了空心橋墩抗震的試驗研究工作,研究重點則分別針對山區(qū)公路橋梁高墩和鐵路圓端型空心橋墩。宋曉東完成的山區(qū)矩形空心高墩模型(剪跨比為8.0)的擬靜力試驗表明,增大壁厚和配箍率可有效提高空心橋墩的變形和耗能能力。劉林完成的鐵路圓端型空心橋墩的擬靜力試驗發(fā)現(xiàn),配筋率為0.23%的空心橋墩表現(xiàn)出明顯的脆性,而減小壁厚會降低空心橋墩的變形和耗能能力。郝文秀等通過擬靜力試驗研究了活性粉末混凝土空心矩形橋墩的抗震性能,發(fā)現(xiàn)活性粉末混凝土橋墩具有較好的抗震能力,且橋墩的抗震能力隨軸壓比和混凝土強度增大而減小,隨配箍的增多而增大。崔海琴等設(shè)計了9個矩形空心橋墩的抗震擬靜力試驗,包括4個普通空心橋墩和5個CFRP加固的空心橋墩,研究表明,4個普通空心橋墩均發(fā)生彎曲破壞,變現(xiàn)出良好的延性和耗能能力,而橫向包裹CFRP的加固方式可有效提高空心橋墩的變形能力和抗剪強度。宗周紅等完成了6個矩形薄壁空心橋墩的雙向擬靜力試驗,研究表明,薄壁高墩在多維荷載作用下主要以彎曲破壞為主,但剪切作用不可忽視,不同方向荷載的耦合作用對空心橋墩的破壞過程有顯著影響,空心橋墩的變形能力隨剪跨比的增大或軸壓比的減小而增大。李志興以云南牛欄江大橋為例,設(shè)計了1∶12的縮尺模型,通過偽動力試驗研究了含空心高墩的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震能力。杜修力等完成了5個矩形空心橋墩的擬靜力試驗,重點關(guān)注了配筋率、軸壓比、箍筋間距等對橋墩抗震能力的影響。3存在的問題和發(fā)展方向3.1空心橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)對延性變形能力影響有限空心橋墩在大型橋梁工程中獲得了廣泛應(yīng)用,而目前國內(nèi)外對空心橋墩抗震問題進行的研究仍較為薄弱,本文總結(jié)了空心橋墩在中國橋梁工程中的應(yīng)用情況,并對國內(nèi)外完成的空心橋墩抗震研究成果進行較為全面的介紹,主要結(jié)論及存在的問題如下。(1)總結(jié)國內(nèi)外對空心橋墩延性抗震的研究進展,一個基本共識為:空心橋墩延性抗震能力隨軸壓比提高而降低,隨配箍率的增加而增加,這與實心橋墩認識并無特殊之處。而體現(xiàn)空心橋墩截面特殊性的壁厚比、薄壁寬厚比等參數(shù)對橋墩延性變形能力的影響尚無系統(tǒng)性研究,另外在空心橋墩這種截面尺寸可達10m以上的大型結(jié)構(gòu)中,箍筋能否發(fā)揮對核心混凝土的約束效應(yīng)值得懷疑。(2)更值得關(guān)注的是對高墩、薄壁空心橋墩抗震能力認識薄弱。目前剪跨比大于10.0、壁厚比小于0.2、薄壁寬厚比大于10.0的空心橋墩在中國大型橋梁工程中獲得了廣泛應(yīng)用,限于試驗設(shè)備、試驗條件的限制,目前國內(nèi)外幾乎沒有對此開展的研究。(3)對空心橋墩的地震抗剪強度缺乏有效性研究。目前國內(nèi)外對此進行的研究僅限于“個案”,主要的研究手段在于基于試驗結(jié)果與現(xiàn)有抗剪分析模型進行對比,由此獲得的認識難免偏頗。目前中國橋梁抗震設(shè)計的主要依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02-01—2008)和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)均未對空心橋墩的抗剪問題給予特別研究。(4)在空心橋墩抗震的數(shù)值分析技術(shù)上,由于剪切變形的影響較大,僅考慮彎曲變形的纖維模型表現(xiàn)出不足,近年來發(fā)展起來的STM模型和修正的壓力場理論(MCFT)為考慮結(jié)構(gòu)的非線性剪切變形提供了有效途徑。3.2空心橋墩抗震問題的研究現(xiàn)狀(1)深水高墩(空心橋墩)在地震下抗裂措施值得關(guān)注。在汶川大地震中,廟子坪大橋水下空心橋墩混凝土開裂破壞,盡管橋墩設(shè)計充分實現(xiàn)了“大震不倒”的抗震設(shè)計理念,但出于耐久性要求必須對水下裂縫進行加固。重大土木工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計甚至要求達到“大震不裂”的目標,這也為深水橋墩的抗震設(shè)計提出了新的課題。美國密歇根大學(xué)研制了高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料(ECC),由于其優(yōu)越的抗拉伸性能而受到關(guān)注,可能為解決深水空心橋墩的地震開裂問題提供新的途徑。(2)橋墩震后殘余位移的大小是決定其使用性與可修復(fù)性的關(guān)鍵,1995年Kobe地震后,大量鋼筋混凝土橋墩由于殘余位移過大而無法修