提高混凝土橋墩的抗震性能的若干問題摘要：強烈地震作用下，高強箍筋和改善鋼筋混凝土短柱對保證高強混凝土柱的抗震能力具有重要意義。為研究高強箍筋約束高強混凝土柱的抗震性能，對國內外進行的混凝土抗壓強度在40~112MPa、箍筋屈服強度在400~1569MPa的混凝土柱的抗震擬靜力試驗結果進行廣泛總結，得出一個廣泛的結論為，對于承受較高軸壓的高強混凝土柱，通過合理配置高強箍筋，是可以充分保證其延性和耗能能力的；而對于承受較低軸壓的高強混凝土柱，只要箍筋間距滿足要求，使用高強箍筋一般能保證其延性抗震性能。同時，通過改善鋼筋混凝土短柱的措施，也可以使短柱的抗震性能顯著提高。關鍵詞：鋼筋混凝土；短柱；高強箍筋；抗震性能引言現代土木工程結構向大跨、高聳、重載及承受惡劣環境的方向發展，推動了高強混凝土在現代土木工程中的應用。在建筑結構的框架柱或橋墩中，與普通強度鋼筋混凝土墩柱相比，高強混凝土柱的主要優點在于：①增大結構強度和剛度；②更易于實現“強柱弱梁”的設計思想；③由于高強混凝土早期強度較高，加快了施工進度；④減少了對鋼筋錨固長度要求；⑤減少截面尺寸，增加下部凈空；⑥提高耐久性，這一點對更易于遭受腐蝕的橋墩來說尤為重要。高強混凝土的脆性對墩柱結構的延性和耗能能力產生較大影響，特別是當其承受較大軸壓時，使用普通強度的約束箍筋，為滿足延性抗震要求而需要的配箍率較高，造成箍筋配置太密以至于無法施工，大大限制了高強混凝土結構在強震區的使用。而采用高強箍筋以減少配箍率，對柱形成有效約束并提高高強混凝土柱的延性抗震性能，為高強混凝土結構在強震區的推廣應用提供了新的解決途徑。在美國，強度達113.9MPa的超高強混凝土已經在西海岸震區使用，高層建筑柱使用強度達100MPa以上的混凝土已屢見不鮮。日本建設省在1988~1993年開展了題為“采用高強度混凝土和鋼筋開發先進的鋼筋混凝土建筑”的5年全國性研究項目，其目的在于生產出抗壓強度在30~120MPa的混凝土，以及屈服強度在400~1200MPa的高強度鋼筋，并在開發新的鋼筋混凝土建筑時使用這些材料。在我國，早期如清華大學、大連理工大學，近期如沈陽建筑大學等高校也對高強箍筋約束高強混凝土柱的抗震性能進行了研究。有所不同的是，清華大學和大連理工大學使用的高強箍筋主要為冷軋帶肋鋼筋，屈服強度約在550~750MPa；而沈陽建筑大學閻石教授主要采用屈服強度為1300MPa左右的高強預應力棒作為橫向約束箍筋。我國臺灣學者結合島內“高速鐵路計劃”，對高強箍筋約束高強混凝土空心截面橋墩的抗震性能也進行了較多研究。通過國內外鋼筋混凝土柱（橋墩）抗震性能的研究文獻發現，即使對于普通強度的混凝土柱，國外也較多采用屈服強度在400MPa以上的高強鋼筋配箍，我國臺灣學者在近期關于空心截面橋墩抗震性能的研究中，使用的箍筋強度也多在400MPa以上。而目前我國大陸仍較多采用強度較低的HPB235級鋼筋作為箍筋，總體上比國外低一個強度等級，難以有效保證高強混凝土墩柱在高軸壓下的抗震安全，同時，低強鋼筋也含有較多的不經濟因素。本文在總結國內外相關文獻的基礎上，對采用高強箍筋約束的高強混凝土柱（橋墩）的抗震性能進行介紹，以期促進這一技術在我國的應用和發展。需要說明的，本文所討論的高強箍筋約束高強混凝土柱，是指混凝土圓柱體抗壓強度大于40MPa、箍筋屈服強度大于400MPa的高強混凝土柱，作者搜集了137根高強箍筋約束高強混凝土柱的抗震擬靜力試驗結果（混凝土圓柱體抗壓強度范圍為40~112MPa，箍筋屈服強度范圍為400~1569MPa），并總結了高強混凝土柱（橋墩）矩形應力圖、抗剪強度、約束箍筋用量及延性等抗震性能的研究結論。每個柱的混凝土強度與箍筋強度的關系如圖1所示。本文中，如無特殊說明，混凝土強度均指圓柱體抗壓強度，箍筋強度均為屈服強度。圖1混凝土強度與箍筋強度的關系1高強箍筋約束高強混凝土柱壓彎構件的矩形應力圖我國《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）、美國ACI318—05規范以及新西蘭規范NZS3101—1995均采用等效矩形應力圖計算混凝土結構在壓彎作用下的抗彎承載力。在矩形應力圖中，主要有兩個參數α1和β1，對混凝土柱抗彎承載力的計算起重要作用。我國《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）中，矩形應力圖的應力值為混凝土軸心抗壓強度設計值乘以α1，當混凝土強度等級不超過C50時，α1取為1.0，當混凝土強度等級為C80時，α1取為0.94，其間按線性內插法確定；參數β1為矩形應力圖高度與混凝土受壓區高度的比值，當混凝土強度等級不超過C50時，β1取為0.8，當混凝土強度等級為C80時，β1取為0.74，其間按線性內插法確定。ACI318—05規范的矩形應力圖，參數α1為矩形應力圖中的應力與混凝土圓柱體抗壓強度的比值，取為0.85，參數β1為矩形應力圖高度與混凝土受壓區高度的比值，當抗壓強度fc′在17~28MPa時，取0.85，當fc′超過28MPa，抗壓強度每增加7MPa，β1減少0.05，但不小于0.65。新西蘭規范NZS3101—1995適用的混凝土抗壓強度范圍最高為70~100MPa：fc′>55MPa時，α1=0.85-0.004（fc′-55）≥0.75（1）fc′>30MPa時，β1=0.85-0.008（fc′-30）≥0.65（2）各國規范規定的矩形應力圖主要基于普通強度的混凝土柱壓彎試驗結果得到，隨著高強及超高強混凝土的廣泛應用，這些公式能否應用于高強混凝土柱的正截面承載力計算值得探討。近期的研究結果表明，當混凝土強度較低時，按照ACI318—05規范及新西蘭NZS3101—1995規范計算的柱抗彎強度偏于安全，但是對于承受較大軸壓的高強混凝土柱，計算結果較大，偏于不安全。我國《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）及葉列平教授對高強混凝土矩形應力圖的規定也僅限于C80及以下強度的混凝土構件，對于C80以上混凝土壓彎構件的矩形應力圖則沒有說明。基于此，不少學者根據高強混凝土柱的壓彎試驗結果對矩形應力圖進行修正，使其適用于高強混凝土壓彎柱的正截面承載力計算。Azizinamini等人通過對屈服強度在454~753MPa之間的高強箍筋約束高強混凝土柱的擬靜力試驗發現，當混凝土抗壓強度小于55MPa時，按ACI318規范計算的橋墩抗彎強度小于試驗值，偏于安全；當混凝土強度大于97MPa后，按ACI318規范計算的橋墩抗彎強度偏大，可能不安全。并建議，當混凝土抗壓強度大于69MPa時，對α1值進行修正：α1=0.85-0.05fc′-696.9!"≥0.60（3）Attard等基于概率分析結果，提出了適用于高強混凝土柱的雙參數矩形應力圖，用于抗壓強度在20~100MPa之間的混凝土：α1=k1k3=1.2932（fc′）-0.0998≥0.71（4）β1=k2=1.0948（fc′）-0.091≥0.67（5）2短柱的破壞形態短柱破壞形態與長柱明顯不同,其剛度大,變形能力和耗能性能差,其破壞形式一般分為剪切破壞和粘結破壞。破壞時斜向交叉裂縫貫通,柱的強度急劇下降,發生沿斜截面滑移、混凝土嚴重剝落等脆性破壞。因此,當建筑物遭遇該地區設防烈度或高于該地區設防烈度的地震作用時,容易形成薄弱環節而造成結構破壞甚至倒塌。3改善短柱抗震性能的措施國內外學者從不同角度,針對改善短柱的抗震性能問題進行了研究:(1)采用分體柱技術實現變“短柱”為“長柱”。在地震作用下,短柱常因剪壞而失效,其抗彎強度不能完全發揮。分體柱技術就是采用隔板(石膏板、纖維板或竹膠板等)將短柱分為2或4個柱肢,并分別配筋(見圖4),從而削弱短柱的抗彎強度,使抗彎強度相應于或低于抗剪強度。這樣,在地震作用時,柱子將首先達到抗彎強度,呈現延性的破壞形態。研究結果表明,分體柱雖然使構件的抗彎承載力有所降低,但抗剪承載力基本不變,且構件的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態由剪切型轉化為彎曲型,改善了短柱尤其是剪跨比λ<1.5的超短柱的抗震性能。分體柱技術對改善短柱的抗震性能有著良好的效果。(2)筆者從提高短柱的受剪承載力改善其抗震性能的角度出發,提出了在異形截面短柱中配交叉鋼筋的抗震措施,明顯提高了異形截面短柱的抗震性能。(3)采用型鋼混凝土短柱。型鋼混凝土柱由型鋼和外包混凝土組成,型鋼通常采用由鋼板焊接拼制或軋制而成,其型鋼截面通常采用矩形截面和十字形截面等,如圖5所示。型鋼混凝土可充分發揮鋼和混凝土兩種材料的優點,與鋼筋混凝土結構相比,由于配置了型鋼,使柱的豎向和水平承載力大大提高,從而有效減小了柱的截面尺寸;型鋼翼緣與箍筋對混凝土有很好的約束作用,使混凝土的延性提高,加上型鋼本身良好的塑性,使短柱改善了延性,提高了耗能能力。(4)采用鋼纖維混凝土。這種思想是從改善柱子的材料性能入手,通過在普通混凝土中摻入鋼纖維,使得混凝土中的鋼纖維與混凝土共同承擔荷載,使混凝土的材料特性向著鋼材靠攏。鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強度、抗疲勞、高韌性等性能,從而大大改善了混凝土柱的延性,提高了承載力,有效地改善了短柱的抗震性能。(5)加強對混凝土的約束作用,使混凝土的抗壓承載力得到大幅提高,從而防止構件在較大剪壓比情況下發生剪壓破壞以改善短柱的抗震性能。目前,增強混凝土約束作用的措施主要有:增強箍筋約束力,國內外試驗均表明,加強箍筋對混凝土的約束,可提高柱子的極限變形角,增強其抗剪承載力,這也符合高層建筑框架柱應滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”的要求;采用鋼管混凝土,鋼管混凝土是由混凝土填入薄壁圓形管或方形鋼管內而形成的組合構件,由于鋼管內混凝土受到鋼管的側向約束使得混凝土處于三向受壓狀態,從而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到提高,顯著改善了短柱的延性。(6)使用碳纖維布約束混凝土。這種方法是用碳纖維布從外圍對鋼筋混凝土柱進行橫向包裹。由于碳纖維布的抗拉強度和彈性模量都很高,對混凝土的約束作用明顯,提高了混凝土的極限壓應變,推遲了受壓區混凝土被壓碎的時間,從而可充分發揮縱筋的塑性變形性能,改善了鋼筋混凝土短柱的延性。4結論大力推廣高強鋼筋高強混凝土結構在土木工程中的應用是提高我國建設水平的重要方向，高強箍筋約束高強混凝土柱抗震性能的研究打破了高軸壓及高強混凝土柱在震區使用的禁區。目前我國在這方面的研究基礎較為薄弱，大大限制了高強混凝土結構在我國的使用，本文力圖對國內外所進行的高強箍筋約束高強混凝土抗震性能的研究成果進行較為全面的介紹，主要獲得如下認識：（1）由于高強混凝土的應力－應變關系曲線同普通強度混凝土不同，國內外應用較為廣泛的鋼筋混凝土柱矩形應力圖及抗剪承載力計算公式在計算高強混凝土柱時結果可能不安全或過于保守，對其應進行修正，使其能夠適用于高強箍筋約束高強混凝土柱的抗彎、抗剪承載力計算。（2）ACI318及NZS3101規范為保證鋼筋混凝土柱延性而規定的最低約束箍筋用量計算公式，無法保證高強箍筋約束高強混凝土柱的抗震安全，甚至根本不適用于高強箍筋約束的高強混凝土柱，應針對其特點進行專門研究。（3）即使在軸壓比大于0.6的較高軸壓下，高強箍筋對高強混凝土柱仍能夠提供有效約束，充分保證了高強混凝土柱的延性和耗能能力。（4）對于軸壓較低的高強混凝土柱，因其延性抗震性能易于保證，不建議使用強度過高的約束箍筋，同時，對箍筋最小間距進行規定從而保證反復荷載下縱筋不過早屈曲，對提高高強混凝土柱的延性具有重要意義。參考文獻［1］陳肇元.高強與高性能混凝土的發展及應用［J］.土木工程學報，1997，:［2］徐有鄰.我國混凝土結構用鋼筋的現狀及發展［J］.土木工程學報，1999，［3］青山博之.現代高層鋼筋混凝土結構設計［M］.張川，譯.重慶:重慶大學出版社，2006［4］王浩，張惠英.LL550冷軋帶肋箍筋高強混凝土柱抗震性能的試驗研究［J］.建筑結構，2002［5］李蓬.冷軋帶肋箍筋高強混凝土壓彎構件抗震性能的試驗研究［D］.北京:清華大學，2000箍率的試驗研究［J］.建筑結構，1999[6]GB50011-2001,建筑抗震設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