馬 穎，李夢蝶，吳澤斌

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

據(jù)統(tǒng)計，中國的事故橋梁平均壽命只有23.8年,遠遠不滿足國家標準 “小型橋梁設(shè)計使用壽命30年，中型橋梁設(shè)計使用壽命50年，大型橋梁設(shè)計使用壽命100年”的要求。目前，我國公路橋梁的發(fā)展具有橋梁數(shù)量大、危橋多、實際使用壽命短等特點[1]。地震破壞是公路橋梁損傷的主要原因之一[2-3]。墩柱作為橋梁等結(jié)構(gòu)的主要豎向承重構(gòu)件，承載著整個結(jié)構(gòu)的全部豎向荷載和由地震引起的水平荷載。因此，墩柱的設(shè)計安全在規(guī)范使用中顯得尤為重要。

在地震作用下，墩柱通常會發(fā)生以下三種破壞方式：彎曲破壞(F)、彎剪破壞(FS)和剪切破壞(S)[4]。RC墩柱的地震失效模式的識別可以參考文獻[5-6]。其中，墩柱的彎剪破壞介于彎曲破壞和剪切破壞之間，屬于有限延性破壞。墩柱中縱向鋼筋首先屈服形成塑性鉸，隨后承載力隨著變形的增大逐漸下降，當抗剪需求大于剩余抗剪承載力時，發(fā)生彎剪破壞，設(shè)計中也要盡量避免。因此，準確計算RC柱的抗剪承載力，對于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和安全性評估具有重要意義。

近年來一些學(xué)者通過對比中外橋梁規(guī)范，對RC構(gòu)件的抗剪承載力進行了研究。Tong等[7]按《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2001)和《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2018)對RC剪力墻抗剪承載力的可靠度進行了比較。結(jié)果表明，后者的可靠性指標比前者提高了5.88%～8.02%。李艷艷等[8]通過RC梁對中(《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)，簡稱“02規(guī)范”)、美、歐等設(shè)計規(guī)范抗剪承載力公式研究發(fā)現(xiàn)，歐洲公式最為穩(wěn)健，我國規(guī)范公式相對安全水平最低。魏惠等[9]對中(《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 12—2006))、美、歐、英規(guī)范對輕骨料混凝土梁抗剪承載力計算對比表明：采用我國規(guī)范對高強輕骨料混凝土梁抗剪能力進行計算設(shè)計時，應(yīng)對混凝土項做進一步折減。袁健等[10]基于集中荷載與均布荷載作用下矩形截面無腹筋簡支梁抗剪試驗數(shù)據(jù)對《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010，2015版)進行分析發(fā)現(xiàn)，對于集中荷載作用下截面有效高度大于600 mm或縱筋配筋率小于1.5%的獨立梁以及截面尺寸和跨高比都較大的一般受彎構(gòu)件，規(guī)范計算公式的預(yù)測值均明顯偏高。石程程等[11]以國內(nèi)外不同規(guī)范對彎剪破壞矩形截面墩柱塑性鉸區(qū)受剪承載力進行對比計算發(fā)現(xiàn)，軸壓比在0.1～0.3之間的彎剪破壞墩柱，規(guī)范可基本滿足承載力要求，而軸壓比小于0.1或大于0.3的彎剪破壞墩柱，在抗震設(shè)計時應(yīng)予注意。綜上可知，大多有關(guān)抗剪承載力的分析計算都是在RC梁或其他類型的構(gòu)件的基礎(chǔ)上進行的，較少關(guān)注RC墩柱的抗剪承載力計算，且由于各構(gòu)件抗剪承載力的研究多選用混凝土設(shè)計規(guī)范，故本文選取了兩個中國公路橋梁規(guī)范與其他國家橋梁規(guī)范對比。

以彎剪破壞RC墩柱為研究對象，借助美國PEER試驗數(shù)據(jù)庫中彎剪破壞RC墩柱的擬靜力試驗數(shù)據(jù)(矩形截面19根，圓形截面19根)，通過計算分析，將《公路橋梁抗震設(shè)計細則》[12](JTG/T B02—01—2008)(簡稱“08細則”)、美國ATC規(guī)范[13]、新西蘭橋梁標準[14]、日本橋梁規(guī)范[15]、歐洲CEN規(guī)范[16]以及中國《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[17](JTG/T 2231—01—2020)(簡稱“20規(guī)范”)進行對比，評價這些規(guī)范對保證彎剪破壞RC墩柱塑性鉸區(qū)抗剪承載力的可靠性。

1 國內(nèi)外規(guī)范抗剪承載力公式

當前，RC墩柱的抗剪承載力Vu通常采用下式進行計算：

Vu=Vsv+Vc+Vp

(1)

式中：Vc表示混凝土的抗剪承載力；Vsv表示橫向鋼筋(箍筋)的抗剪承載力；Vp表示軸向壓力產(chǎn)生的抗剪承載力。

1.1 各規(guī)范抗剪承載力計算公式

各規(guī)范塑性鉸區(qū)的抗剪承載力計算模型如表1所示。美國ATC規(guī)范、新西蘭橋梁標準、歐洲規(guī)范和中國“20規(guī)范”的抗剪承載力公式均區(qū)分矩形截面和圓形截面，我國“08細則”的抗剪承載力公式只考慮矩形截面構(gòu)件，不考慮圓形截面構(gòu)件。在計算圓形截面構(gòu)件的抗剪承載力時，需要換算(b=1.76r，h0=1.6r，其中:b為截面寬度，h0為截面有效高度，r為圓形截面半徑)。由于選取的試件為RC墩柱，因此只考慮受壓試件，不考慮受拉試件。

表1 各規(guī)范塑性鉸區(qū)的抗剪承載力模型

1.2 各規(guī)范抗剪承載力計算公式影響因素

各規(guī)范抗剪承載力計算模型所考慮的影響因素如表2所示，各規(guī)范都考慮到截面尺寸、箍筋面積和混凝土強度的影響，除中國“08細則”外均額外考慮軸向應(yīng)力。對于箍筋強度的影響，歐洲、美國、新西蘭規(guī)范均考慮箍筋屈服強度，日本與中國“20規(guī)范”則考慮箍筋抗拉強度；對于混凝土強度的影響，中國“16規(guī)范”與“20規(guī)范”考慮混凝土軸心抗壓強度，除此以外均考慮混凝土圓柱體抗壓強度，其中歐洲規(guī)范額外考慮混凝土軸心抗壓強度，日本規(guī)范與中國“20規(guī)范”都額外考慮混凝土抗剪強度。在以上影響因素以外，美國規(guī)范額外考慮邊界條件系數(shù)、裂縫傾角、縱筋配筋率以及箍筋配筋率；新西蘭規(guī)范額外考慮軸壓比；日本橋梁規(guī)范額外考慮縱筋配筋率、構(gòu)件系數(shù)以及鋼筋角度；中國“20規(guī)范”考慮墩柱構(gòu)件位移延性系數(shù)以及抗剪強度折減系數(shù)；中國“16規(guī)范”則考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)(即剪跨比)以及軸壓比。

表2 各規(guī)范抗剪承載力模型考慮的影響因素

2 試驗數(shù)據(jù)

表3 矩形試件的基本參數(shù)及抗剪承載力試驗值

表4 圓形試件的基本參數(shù)及抗剪承載力試驗值

擬靜力試驗又稱低周反復(fù)荷載試驗，是指對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加多次往復(fù)循環(huán)作用的靜力試驗，可用以模擬地震時結(jié)構(gòu)在往復(fù)振動中的受力特點和變形特點。PEER數(shù)據(jù)庫中試件的擬靜力試驗數(shù)據(jù)包括其截面配筋、材料力學(xué)特性、力-位移滯回曲線等信息，并可由試件力-位移滯回曲線數(shù)據(jù)有效地識別出其對應(yīng)的抗剪承載力，具體識別過程參考文獻[19]。

3 分析與討論

利用這六個橋梁規(guī)范的抗剪承載力計算公式對以上兩組彎剪破壞RC墩柱試驗數(shù)據(jù)進行計算，得到各規(guī)范的抗剪承載力計算結(jié)果，以各規(guī)范抗剪承載力計算公式的抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例評價各規(guī)范抗剪承載力計算公式的安全性。

3.1 各規(guī)范抗剪承載力計算結(jié)果

各規(guī)范抗剪承載力公式的計算值與試驗值的比較，是為了驗證各規(guī)范抗剪承載力計算公式能否保證試件的抗剪承載力安全需要，從而得到安全的抗剪承載力預(yù)測。鑒于此，分別計算矩形截面與圓形截面彎剪破壞RC墩柱的抗剪承載力，并根據(jù)抗剪承載力計算結(jié)果按計算值與試驗值對各個試件進行區(qū)分，將計算值等于試驗值作為區(qū)分界限(1∶1分界線)。當規(guī)范抗剪承載力公式計算值小于抗剪承載力試驗值時(分界線以下)，表示該規(guī)范的抗剪承載力計算公式具有一定的保守性，即較為安全；當規(guī)范抗剪承載力公式計算值大于抗剪承載力試驗值時(分界線以上)，表示在未達到規(guī)范要求的抗剪承載力時試件就已經(jīng)發(fā)生破壞，即該規(guī)范的抗剪承載力計算公式較為危險。

由圖1可以看出對于矩形截面的彎剪破壞RC墩柱:

(1)中國“20規(guī)范”與中國“08規(guī)范”的抗剪承載力計算值大部分都低于抗剪承載力試驗值，表示這兩個規(guī)范的抗剪承載力計算公式都偏于安全，最能夠滿足矩形截面RC墩柱的抗剪承載力安全需要。

(2)歐洲規(guī)范、日本規(guī)范的抗剪承載力計算值部分低于抗剪承載力試驗值，說明其部分不能滿足矩形截面RC墩柱的抗剪承載力安全需要。

(3)美國規(guī)范和新西蘭規(guī)范的抗剪承載力計算值大部分都高于抗剪承載力試驗值，表示這兩個規(guī)范的抗剪承載力計算公式都偏于危險，不能夠滿足矩形截面RC墩柱的抗剪承載力安全需要。

對于圓形截面的彎剪破壞RC墩柱，六個規(guī)范的抗剪承載力計算值大部分都低于抗剪承載力試驗值，表示六個規(guī)范的抗剪承載力計算公式都偏于安全，都能夠滿足圓形截面RC墩柱的抗剪承載力安全需要。

3.2 各規(guī)范抗剪承載力的具體說明

為進一步對六個規(guī)范抗剪承載力公式進行安全性評估，將圖1中各規(guī)范安全區(qū)域(抗剪承載力計算值低于抗剪承載力試驗值，即1∶1分界線以下)和非安全區(qū)域(抗剪承載力計算值高于抗剪承載力試驗值，即1∶1分界線以上)的RC墩柱試件個數(shù)進行統(tǒng)計，得到各規(guī)范的抗剪承載力計算公式對于兩種截面彎剪破壞RC墩柱的抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例。

圖1 彎剪破壞墩柱試件抗剪承載力試驗值與各規(guī)范模型計算值比較

如圖2所示，對于矩形截面RC墩柱試件，中國“08細則”抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例最高，為89.47%，中國“20規(guī)范”抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為78.95%，歐洲規(guī)范抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為68.42%，日本橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為57.89%，新西蘭橋梁標準抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為42.11%，美國ATC規(guī)范抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為36.84%；對于圓形截面RC墩柱試件，中國“08細則”、中國“20規(guī)范”、歐洲規(guī)范、美國ATC規(guī)范、新西蘭橋梁標準以及日本橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例都是100%?？傮w上，這六個橋梁規(guī)范對于圓形截面RC墩柱試件抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為100%，對于矩形截面RC墩柱試件抗剪承載力計算公式所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例為62.28%。

圖2 各規(guī)范對應(yīng)所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例

由各規(guī)范所得抗剪承載力滿足要求的試件占總試件的比例結(jié)果可得：

(1)對于矩形截面RC墩柱試件，中國“08細則”抗剪承載力計算公式偏于安全，中國“20規(guī)范”抗剪承載力計算公式略微安全，歐洲規(guī)范、日本橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式略微危險，新西蘭橋梁標準、美國ATC規(guī)范抗剪承載力計算公式偏于危險。

(2)對于圓形截面RC墩柱試件，中國“08細則”、中國“20規(guī)范”、歐洲規(guī)范、美國ATC規(guī)范、新西蘭橋梁標準以及日本橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式都偏于安全。

(3)總體上對于RC墩柱，當截面為圓形時，各國橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式都偏于安全，能夠滿足其抗剪承載力安全需要；當截面為矩形時，各國橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式均略微危險，不太能滿足其抗剪承載力安全需要。

4 結(jié) 論

本文以彎剪破壞RC墩柱為研究對象，借助美國PEER試驗數(shù)據(jù)庫中發(fā)生彎剪破壞的19根矩形截面墩柱和19根圓形截面墩柱擬靜力試驗數(shù)據(jù)，對國內(nèi)外各橋梁規(guī)范中抗剪承載力計算公式進行對比評價，得到結(jié)論如下：

對于矩形截面形式的彎剪破壞RC墩柱，中國“08細則”抗剪承載力計算公式偏于安全，而新西蘭橋梁標準、美國ATC規(guī)范抗剪承載力計算公式偏于危險；對于圓形截面形式的彎剪破壞RC墩柱，中國“08細則”、中國“20規(guī)范”、歐洲規(guī)范、美國ATC規(guī)范、新西蘭橋梁標準和日本橋梁規(guī)范抗剪承載力計算公式都偏于安全；總之，六個規(guī)范整體計算值更能滿足圓形截面RC墩柱的實際抗剪承載力安全需求。