柱式墩立柱盖梁节点配筋优化探讨

“立柱接盖梁”是最为常用的公路桥梁下部结构形式。

         

该节点受力机理简单明确：传递竖向荷载，承受弯距；

         

该节点设计方案极为成熟，但充分暴露了理论（想）与实践冲突。

         

         

         

         

2、立柱盖梁节点区受力机理分析

1）分析对象

跨径20m，单幅桥宽12.5m，立柱高3.162m，直径1.3m，中心距7.9m，盖梁高1.6，厚1.5m。

下部结构采用双立柱盖梁结构，混凝土标号C30。

立柱竖向钢筋深入盖梁1.2m高，呈喇叭状，配置螺旋箍筋。

         

         

2）有限元模型

采用ABAQUS软件进行非线性有限元分析。

混凝土采用C3D8R实体单元模拟，钢筋采用T3D2桁架单元模拟。

混凝土和钢筋分别采用损伤塑性模型和理想弹塑性模型。

钢筋与混凝土单元间采用绑定连接，不考虑相对滑移变形。

桩顶固结约束，不考虑桩基变形。

模拟横桥向地震作用：单侧施加往复强制位移，最大位移幅值120mm。

         

         

         

3）滞回曲线

各模型曲线均呈梭形，滞回环饱满，耗能强，无捏拢现象。

各模型均具有良好的横桥向抗震性能。

盖梁内箍筋的配置形式对滞回曲线的影响较小。

         

         

         

4）骨架曲线

各模型的极限承载能力和极限位移基本一致。

取消螺旋箍筋后极限承载能力仅降低不到2%。

         

5）破坏模式

各模型破坏模式类似，以柱顶和柱底的塑性铰破坏为主。

立柱盖梁节点区混凝土存在一定程度损伤开裂但尚未破坏。

下部结构横桥向抗震承载能力不受立柱盖梁节点控制。

         

         

         

6）箍筋应力

螺旋箍筋和平行箍筋的箍筋应力结果无明显差异。

箍筋应力随伸至盖梁内高度增加而减小，且超过一定高度后受力较小。

         

         

         

7）水平筋应力

盖梁侧面水平筋应力从上到下依次增大，顶层钢筋（S7）的应力几乎不受螺旋箍筋影响。

取消螺旋箍筋后盖梁中心及底层水平钢筋（S8、S9）均明显增大，尤其对于S9钢筋由150MPa增大至近屈服状态。

取消螺旋箍筋后，盖梁侧面水平钢筋在立柱盖梁节点核心区的抗剪方面也发挥明显作用。

         

         

         

         

8）数值分析结论

（1）地震荷载作用下，桥梁下部结构主要表现为立柱塑性铰破坏，立柱盖梁节点区内有无螺旋箍筋对结构的变形滞回曲线、承载能力及破坏模式均无明显影响。

（2）地震荷载作用下，盖梁内螺旋箍筋的应力水平从下而上依次减小，达到一定高度后箍筋受力较小，即立柱盖梁节点区内箍筋仅在盖梁底部一定范围内发挥作用。

（3）与螺旋箍筋相比，立柱盖梁节点区内配置平箍时，在计算结果上也无明显区别，因此平箍与螺旋箍筋作用相仿。

（4）地震荷载作用下，盖梁侧面的水平钢筋也可以代替螺旋箍筋承担部分抗剪作用，加强盖梁水平钢筋的配置对于立柱盖梁节点区的抗震是有利的。

3、应用情况调研

         

         

1）立柱盖梁实际施工情况

（1）盖梁钢筋骨架整体吊装，立柱外展的竖向钢筋难以插入筋盖梁骨架；

（2）高空工作平台小，连续的螺旋箍筋无法在盖梁骨架中穿插；

（3）节点区钢筋密集，砼浇捣难以密实。

         

         

2）相关规范规定

         

         

         

         

         

18G901-3

在《铁路工程抗震设计规范》（GB5011-2006）、美国AASHTO 规范、美国加州桥梁抗震设计规范CALTRANS]、欧洲规范Eurocode 8等规范中对墩柱塑性铰加密区域的箍筋配筋率有类似的规定，但对立柱竖向钢筋是否扩展成喇叭形及螺旋箍筋是否延续到盖梁未作具体明确要求。

此外，预制桥墩与盖梁及承台连接均采用直筋连接。

         

4、配筋优化建议

1）根据数值分析及大量实例证明，立柱盖梁节点区的常规配筋从结构受力角度可以简化，从工程实施便捷性的角度也非常有必要优化节点区配筋。

2）优化建议：

（1）对立柱竖向钢筋不作外展成喇叭形的要求；

（2）对抗震设防烈度为Ⅶ度以下地区的常规桥梁，立柱螺旋箍筋无须延伸入盖梁；

（3）对抗震设防烈度为Ⅶ度以上地区的桥梁为了保持梁柱塑性铰的可靠性，应按《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020） “延性构造细节的墩柱构造细节设计 ”中规定设置，为了减少施工难度，可将螺旋箍筋调整为平箍。

不完全统计，近年来全国每年新建成公路桥梁约3000多公里，其中约2/3桥梁的下部结构是桩柱接盖梁形式。

若立柱与盖梁节点钢筋按上述建议优化，全国一年新建的桥梁将在类似节点区节省工程造价约5000万元，并能更好地保证节点区的混凝土浇筑质量，具有显著的经济及社会效益。