孫治國(guó)

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

國(guó)內(nèi)外近期發(fā)生的破壞性地震如1989年美國(guó)Loma Prieta地震、1994年美國(guó)Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年我國(guó)臺(tái)灣ChiChi地震和2008年我國(guó)汶川大地震，均對(duì)橋墩造成了嚴(yán)重震害。開展鋼筋混凝土橋墩抗震問題的研究，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全和交通生命線的暢通，具有十分重要的意義。確保橋墩在大震下具有良好的延性和耗能能力，是實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)基于位移/性能抗震設(shè)計(jì)的重要前提。

本文基于大量試驗(yàn)結(jié)果的分析，結(jié)合擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，對(duì)采用普通和高強(qiáng)鋼筋混凝土材料的實(shí)心和空心鋼筋混凝土橋墩地震變形能力進(jìn)行了若干研究，具體包括橋墩延性變形能力及位移相關(guān)塑性鉸區(qū)約束箍筋用量、普通及高強(qiáng)鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長(zhǎng)度、薄壁空心墩抗震擬靜力試驗(yàn)、空心墩變形能力和橋墩彎剪數(shù)值分析模型等。主要工作和認(rèn)識(shí)如下：

(1) 為研究鋼筋混凝土橋墩的延性變形能力和配箍要求，收集整理了國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的234根實(shí)心橋墩的抗震擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)有橋梁抗震規(guī)范對(duì)保證橋墩變形能力的可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過回歸分析建立了彎曲破壞橋墩變形能力的表達(dá)式；并以2%和3%極限位移角為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了適用于普通及高強(qiáng)鋼筋混凝土橋墩的位移相關(guān)塑性鉸區(qū)約束箍筋用量計(jì)算公式，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

(2) 為評(píng)價(jià)高強(qiáng)鋼筋和混凝土材料的應(yīng)用對(duì)橋墩等效塑性鉸長(zhǎng)度的影響，收集整理了國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的108根普通及高強(qiáng)鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)外主要橋梁抗震規(guī)范中等效塑性鉸長(zhǎng)度計(jì)算公式的可靠性。通過回歸分析討論了影響墩柱等效塑性鉸長(zhǎng)度的主要因素并提出了新的表達(dá)公式。認(rèn)為鋼筋混凝土墩柱等效塑性鉸長(zhǎng)度主要與試件高度、加載方向截面寬度和縱筋直徑有關(guān)。

(3) 總結(jié)了我國(guó)大型橋梁工程中空心橋墩的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了2個(gè)矩形薄壁空心墩試件并分別進(jìn)行了定軸力和變軸力下的抗震擬靜力試驗(yàn)。對(duì)比分析了試件的破壞過程和最終破壞形態(tài)、裂縫寬度、殘余位移和抗剪強(qiáng)度等。發(fā)現(xiàn)試件倒塌前表現(xiàn)出明顯的彎―剪破壞特征，包括彎曲與剪切開裂、混凝土壓碎破壞、縱筋屈曲等。由于損傷的逐步累積，試件變形超過2%位移角后，由于薄壁的失穩(wěn)而引起了突然的倒塌，且變軸力下試件的倒塌破壞更為劇烈。

(4) 在總結(jié)國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的空心墩抗震試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了彎曲、彎剪和剪切破壞形態(tài)下空心墩的變形能力和主要影響因素，認(rèn)為矩形空心墩變形能力主要與塑性鉸區(qū)配箍、縱筋配筋、壁厚和軸壓比等因素有關(guān)，隨箍筋、縱筋配筋和壁厚增加而增加，隨軸壓比增加而減少。討論了現(xiàn)有規(guī)范對(duì)保證空心墩變形能力的可靠性。最后基于Caltrans規(guī)范給出了不同極限位移角下空心墩塑性鉸區(qū)約束箍筋用量設(shè)計(jì)公式。

(5) 基于纖維模型和修正的壓力場(chǎng)理論(The Modified Compression Field Theory,MCFT)建立了鋼筋混凝土橋墩的彎剪數(shù)值分析模型，模型中以纖維模型模擬結(jié)構(gòu)的彎曲變形成分和剪切力的極限荷載，以MCFT理論計(jì)算橋墩的剪切變形，兩者耦合共同考慮橋墩的彎剪作用。最終通過與6個(gè)彎剪破壞圓形截面橋墩擬靜力試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。