国内外各桥墩抗剪强度计算公式及计算方法对比，值得思考~

国内外近几十年来的破坏性地震震害表明,因钢筋混凝土桥墩剪切破坏导致桥梁结构严重破坏甚至倒塌,已成为现代桥梁震害的最主要特征之一。在最近的几次强地震中,由于钢筋混凝土桥墩剪切强度不足造成的桥梁破坏占有很大的比例。仅在1994 年Nort hridge 地震中,就有6/ 7 的桥梁破坏缘于墩柱的剪切破坏。因此,在桥梁抗震规范中规定合适的抗剪强度计算公式,对于减轻桥梁震害是十分必要的。

在强震动作用下,钢筋混凝土桥墩同时随动轴压力、反复交替的弯矩和剪力等共同作用。而混凝土的剪力传递、沿弯曲- 剪切斜裂缝的骨料咬合程度、遭受到轴向力后的拱式反应以及箍筋的水平连接作用产生的桁架机制等都影响着混凝土桥墩截面的剪切强度。因此,混凝土桥墩在强震动作用下的剪切破坏机理是相当复杂的。如果桁架机制的箍筋一旦屈服,弯曲-剪切裂缝的宽度将迅速增加,由于骨料咬合作用产生的混凝土抗剪强度也随之折减。其结果是,剪切破坏是脆性的而且伴随着迅速的强度衰减。

钢筋混凝土桥墩在强震动作用下的剪切破坏机理可以用桁架- 拱模型理论进行分析。但是动力因素的影响必须加以考虑。在强震动作用下,核心区混凝土裂缝不断开展、扩张及闭合,使骨料咬合力减弱,从而导致混凝土抗剪强度降低。受压区混凝土保护层剥落及塑性铰区的非弹性变形,加速斜裂缝发展,使混凝土受压区高度减小,产生钢筋混凝土桥墩的抗剪能力退化现象。在强震动作用下, 钢筋混凝土桥墩的抗剪机理和承载力的各组成部分不断变化,但总的来说, 钢筋混凝土桥墩抗剪强度随非弹性变形量的增大而急剧下降。

ATC- 32 公式

A TC - 32 提出的名义剪切强度V n 由两部分组

成,一部分为混凝土对剪切强度的贡献V c ; 另一部分

为箍筋对剪切强度的贡献V s 。计算公式如下:

Caltrans 公式

Calt rans 提出的名义剪切强度V n 计算公式形式上同于A TC - 32 ,也是由两部分组成:

Priestley 公式

Priestley 等人根据试验结果提出的抗剪能力公式包含3 项:

采用3 种计算公式得出的结果存在差异的原因分析

采用这3 种计算公式对相同的实例进行桥墩抗剪强度计算时,得出的结果存在不小的差异。从公式组成的角度,笔者认为主要原因在于以下3 个方面:

(1) Priestley 等人建议的计算公式包含3 项,轴压力对截面抗剪强度影响作为单独一项列出来,他们认为抗剪强度由于轴压力的存在而由斜压机构产生的提高,通常作为抗剪强度中的一个独立的因素。因为轴压力的存在抑制了裂缝的产生和发展,使受压区高度增大,纵向钢筋拉应力减小,从而提高桥墩的抗剪能力;但当压应力过大时,混凝土内部微裂缝发展,抗剪强度又会降低。而A TC - 32 、Calt rans 规范提出的名义剪切强度V n 仅由两部分组成,一部分为混凝土对剪切强度的贡献V c ,另一部分为箍筋的贡献V s 。

国内外7 种规范中的抗剪设计方法

地震作用下抗剪设计方法计算分析

选取了6 组钢筋混凝土桥墩数据,该模型采用与原型桥墩1?4 的相似比例, 墩高均为1 500 mm( 含柱头) , 截面为625 mm ( 250 mm, 竖向静荷载为327??1 kN, 采用拟静力液压作动器分级施加荷载, 模拟水平地震作用. 图1 为桥墩截面示意图, 桥墩模型参数如表3 所示. 本文作者将以此6 组模型为基础, 评价各国桥梁抗震规范中的抗剪设计方法的差异.

利用7 种规范斜截面抗剪计算方法对文献中选取的6 组钢筋混凝土桥墩模型进行计算, 计算值、实测值及两者的偏差对比如表3 所示.混凝土提供的抗剪能力计算值见图4. 试件N1-20、N2-20 为箍筋间距( 128 mm) 相同、配置完全相同的两个对比试验试块, 取N1-20、N2-20 的抗剪能力平均值作为该箍筋间距试件的抗剪能力值, 其他两组试块箍筋间距分别为256 mm 和384 mm, 取其抗剪能力平均值, 一并作于图5.

小结：

混凝土提供的抗剪能力计算结果差异较大.其中, 美国Caltrans 与AASHTO Seismic 规范对混凝土提供的抗剪能力计算值较高, 新西兰与日本规范次之, 中国公路、铁路及中国台湾规范最为保守.在箍筋间距为128 mm 时, 中国公( 铁) 及中国台湾规范中混凝土抗剪能力计算值仅为美国Calt rans 规范计算值的1/ 10.

2) 配箍率是混凝土抗剪能力的重要因素. 在7种规范中, 美国Calt rans 及AASHTO Seismic 规范中考虑了配箍率对混凝土抗剪能力的影响. 其中, 在AASHTO Seismic 中配箍率对计算值的影响较大,当箍筋间距由128 mm 增加到384 mm 时, 混凝土抗剪能力由140.484 kN 下降至70.820 kN, 降幅达49.59% ; 而在Calt rans 中混凝土抗剪能力计算值降幅为14.79%, 配箍率对计算值的影响较小.

通过对表3 及图5 中关于钢筋和混凝土共同提供的抗剪能力计算值的分析, 可以得到如下结论:

1) 在钢筋和混凝土共同提供的抗剪能力计算值上, 7 种规范计算值是安全可靠的, 其中, 美国Calt rans 规范的计算值与实测值最为接近, 6 组数据平均偏差为18.84% ; 中国公( 铁) 规范与中国台湾铁路桥梁抗震规范与实测值相差最大, 平均偏差分别达到45.40%与55.25%. 中国公( 铁) 规范混凝土提供的抗剪能力计算值为所有规范中最小, 而钢筋混凝土共同抗剪能力计算值却超过日本示方书与台湾规范的计算值, 这是由于中国公( 铁) 规范中桥墩的计算宽度采用全截面宽度而不是核心混凝土区的宽度, 导致钢筋提供的抗剪能力计算值偏大.

2) 配箍率对钢筋和混凝土共同提供的抗剪能力计算精度有较大影响. 随着箍筋间距增大, 7 种规范的钢筋混凝土抗剪能力计算值与实测值偏离越大,说明7 种规范抗剪公式计算精度都有不同程度的降低. 其中在箍筋间距为384 mm 时, 中国台湾铁路桥梁抗震计算值与实测值的偏差最大, 达到66% .通过以上的计算分析, 对桥墩模型发生破坏的形式可以得到如下结论:

为防止桥墩模型发生剪切脆性破坏需要加密横向箍筋或者采取其他保护措施. 7 种规范计算值与桥墩模型实测值及最大弯矩Mmax 代入式( 1) , 可知桥墩模型墩柱在发生弯曲破坏之前会先发生剪切脆性破坏, 需要加密横向箍筋, 适当提高混凝土标号或采取其他措施, 以符合抗震延性要求.

在钢筋和混凝土共同提供的抗剪能力计算值上, 7 种规范计算值都是安全可靠的, 但相互之间差异较大. 其中, 美国加州抗震规范计算得到的抗剪能力计算值更符合实测值; 中国公( 铁) 规范与中国台湾铁路桥梁抗震规范与实测值相差较大.

配箍率是影响7 种规范抗剪能力计算值的重要因素. 在计算混凝土提供的抗剪能力中, 配箍率作为美国Calt rans 及AASHTO Seismic 规范中影响混凝土抗剪能力的重要因素来考虑, 并在AASHT OSeismic 混凝土抗剪能力计算值中所占比重较大; 配箍率对7 种规范的钢筋混凝土抗剪能力计算值的精度也有较大影响, 随着箍筋间距增大, 7 种规范的钢筋混凝土抗剪能力计算值与实测值偏离越大.

按中国公路和铁路桥梁抗震规范得到的混凝土抗剪能力计算值较实测值过于保守, 而钢筋提供的抗剪能力计算值较其他规范的计算值偏大. 这是由于中国公路和铁路桥梁抗震规范中忽略了位移延性及轴向力的变化对混凝土抗剪能力的影响, 以及在桥墩的计算宽度上采用了全截面尺寸宽度的缘故. 因此, 建议在中国公路及铁路桥梁抗震规范中提高抗剪能力计算值, 以便与国际规范接轨. 在实际计算中, 对桥墩的计算宽度应采用核心混凝土区的宽度, 不能单纯地以一个保守定值来衡量位移延性及轴向压力对混凝土抗剪能力的影响, 应结合中国公路和铁路桥梁的实际情况, 动态地把这两个因素考虑进去.

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