基于地震荷载的桥梁墩柱配筋设计及性能评价

刘锦钏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地震是由于地壳运动产生的突发式自然灾害的一种类型，通常会带来重大的经济损失。我国大部分地区都处于地震灾害影响范围，而当地震灾害来临时，桥梁结构是生命通道的重要组成部分[1]。特别是对于大跨度桥梁而言，由于地震破坏后修复难度大，对结构抗震性能的要求更高。因此许多业内人士对桥梁抗震计算方面作了大量研究。西南交通大学袁蔚[2]利用MIDAS对连续拱的组合桥梁在纵向地震和横向地震作用下的抗震性能以及破坏部位进行计算分析，结果得出横向力作用容易引起桥梁发生剪切破坏，而竖向地震力则主要会引起结构变形，沉陷等病害发生。周勇军[3]等则针对桥墩的截面形式对连续刚构弯桥的地震响应产生的影响作用分析后得出刚度相同时空心墩和实心墩对地震响应区别不大，空心墩的墩底应力和位移较大。笔者则根据山西胡李汾河大桥实际情况，在地震荷载下桥梁结构的破坏形态、墩柱结构、配筋设计以及结构性能进行分析，得出地震荷载在不同配筋方式下对桥墩的影响效果，以此进一步分析纵向钢筋和箍筋的设置目的。

1 工程概况

胡李汾河大桥位于山西省台襄线襄汾县城过境公路改建工程K1+512.0处。上部结构采用13孔30 m装配式预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用柱式墩、肋板台，钻孔灌注桩基础，如图1所示。区内的地震从历史及近期的资料来看都表明本区地壳活动是强烈和频繁的，山西有70%的地震都集中在汾渭地堑中。胡李汾河大桥项目区域位于地震烈度为8度区，地震的动峰值加速度能够达到0.2g，因此，对桥梁结构的抗震性能要求高。

图1 胡李汾河大桥桥型布置图

2 地震力作用效应分析

地震产生的地震波形多样，地震力传播方向也比较复杂，因此对桥梁结构的破坏形态也较为多样。

2.1 地震波形分析

地震是由于地壳运动引起地面发生纵向和水平向震动的一种释放能量的形式。如图2所示，产生的波形主要有P波和S波两种，P波就是纵波，主要引起地表发生纵向震动，S波是横波，导致地面发生水平晃动。

图2 地震波的类型与传播示意图

2.2 地震对桥梁结构的影响

2.2.1 弯曲破坏

桥梁结构剪切破坏力超过结构弯曲承载力所致。由于构件的抗弯曲能力相对较低，在地震水平作用力的反复作用下，损伤截面会形成塑性铰[4]。回转变形增大，结构刚度下降导致结构破坏。

2.2.2 剪切破坏

结构受到剪切破坏主要发生在斜截面，基本形式为剪切裂缝，这种破坏形态属于脆性破坏，在地震力作用下，如果桥梁墩柱的斜截面受力钢筋布置过少，会引起桥梁发生致命性剪切破坏。

2.2.3 梁体垮落

在地震水平力和竖向力共同作用下，会引起桥梁搭接节点部位水平位移过大，引起梁与墩柱之间错位甚至发生梁体下落现象。

2.2.4 支座损伤

地震引起桥梁上部结构产生极大的惯性力，惯性力传递到下部结构是通过支座，该部位容易发生应力集中导致支座损伤。

3 地震作用下墩柱配筋及承载力分析

墩柱的配筋方案很大程度上决定结构的抗震性能，纵向钢筋主要抵抗来自上部结构以及部分水平荷载产生的弯曲变形，结构剪切破坏则与墩柱箍筋布置情况有关。

3.1 地震作用下墩柱运动分析

由于地震作用时在地表会产生水平力和竖向力，竖向力作用使墩柱受到压力和拉力作用，而水平力使墩柱产生转动弯曲，水平剪切破坏。墩底发生位移反应如图3所示。

图3 地震荷载下桥墩底部运动特征

由于墩柱上端与桥梁上部通过支座连接，上部刚性约束小。利用简化模型来分析墩柱的运动状态变化情况，如图4所示。

图4 简化墩柱运动情况示意图

地震发生时，墩柱在地震力作用下发生运动，引起墩柱弯曲、剪切，导致墩柱内部产生多个塑性铰，墩柱内部的刚度逐渐降低，从而引起墩柱结构发生破坏。

3.2 正截面抗弯强度分析

根据桥梁设计基本情况，如图5所示为桥梁1～12号墩柱墩身a以及桩基b钢筋布置示意图，主筋设置28根φ25的钢筋。

图5 墩柱钢筋布置情况示意图

3.2.1 墩柱构造及配筋计算

根据桥梁设计方案，对墩柱构造、荷载状况以及纵向钢筋配筋率进行计算分析，在最不利荷载状况下满足承载力时，纵向钢筋的配筋率计算结果如表1所示。

表1 1～12号墩柱基本参数

3.2.2 正截面承载分析

对于桥梁墩柱，上部结构主要对墩柱产生压应力，一般情况下，风力作用产生的横向力作用相对较小，但是地震荷载作用会引起结构正截面弯曲甚至破坏。纵向构造钢筋能够提高截面的极限抗弯承载力，减少混凝土收缩徐变，能有效提高结构物的刚度，同时，也能够提高墩柱结构的延性，增强墩柱的抗震性能。

3.3 斜截面抗剪强度分析

在墩柱配筋设计中，配置箍筋的作用能够约束柱体发生侧向变形，但是，对于地震区的桥梁墩柱而言，由于结构受到水平力作用较大，合理配置箍筋能够提高结构的抗剪切性能。如图6所示为胡李汾河大桥墩柱箍筋配置情况。

图6 墩柱箍筋布置情况示意图

3.3.1 箍筋设计及计算

由于墩柱在地震荷载的反复作用下会产生塑性铰，塑性铰区域的刚度会逐渐下降，导致结构剪切破坏，根据《公路工程抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）[5]的规定，在塑性铰区域内设置加密箍筋，其最小体积的配箍率应当大于0.4%，以此提高墩柱的延性，结合工程实际情况进行，采用两种箍筋设计方式，分别计算其配箍率，以此分析箍筋的配置方式对抗剪承载力的影响作用，基本设计参数如表2所示。

表2 箍筋设计计算参数

表2计算结果中，配箍率为0.441 8%用于实际工程，配箍率为0.628 3%用作本文第4节对箍筋作用的数值模拟分析的基本参数之一。

3.3.2 抗剪承载性能分析

箍筋配置能够对混凝土内部裂缝起到约束限制作用，能够增强结构的连接性能，并起到固定纵向钢筋的作用，使之形成挠度的钢筋骨架，箍筋主要承受剪切力，也就是斜向拉压力，由于应力传递过程中会发生应力集中[6]。对于与纵向钢筋同向的配筋，通过弯起钢筋进行约束，在弯起部位容易产生劈裂裂缝，因此箍筋的设置主要用于承受结构受到的剪力作用。地震荷载中的水平力，使结构发生震动，增强了墩柱水平剪切力和斜向拉力，因此，配置箍筋的目的主要是为了抵抗地震荷载的水平力作用。

4 有限元模型分析

通过ANSYS有限元软件，建立墩柱模型分析墩柱纵向钢筋和箍筋各自在地震力作用下起到的作用。数值模拟过程中，在轴向施加压应力方式来模拟桥梁上部结构产生的压应力作用，以及在墩上施加水平力的方式模拟地震水平力，计算分析过程中，选择桥墩基本计算参数如表3所示。

表3 计算参数设置

4.1 墩柱抗弯性能评价

采用ANSYS有限元软件建立墩柱受弯结构分析模型，然后进行数据处理，进入POST26后得出的受压模型如图7所示。

图7 墩柱抗弯性能分析模型

通过计算结构在设置素混凝土、设置纵向钢筋以及两种箍筋配置情况下墩柱承载力变化情况，来对比分析纵向钢筋和箍筋在受弯曲应力中的作用效益，分析结果如图8所示。

图8 不同配筋方式下墩柱抗弯极限承载力

从图8所示抗弯极限承载力看，设置纵向钢筋和素混凝土相比，极限承载力提高了90%，这说明设置纵向钢筋很大程度上能够提高墩柱的抗弯强度承载力，提高幅度较大，纵向钢筋起到构造钢筋的作用和增强抗弯性能。即便箍筋对墩柱混凝土起到约束作用，箍筋发挥的作用非常小，与仅设置纵向钢筋的墩柱比，增加幅度仅有3.008%，由此可知，箍筋的配置对提高墩柱抗弯强度贡献甚微，而两种不同箍筋配置方案下，墩柱极限承载力极差仅有2 kN。由于桥梁上部结构作用，墩柱主要承受压应力，在此不对墩柱的抗拉强度进行分析。

4.2 墩柱斜截面抗剪性能评价

当混凝土墩柱受到水平应力作用时，就会发生弯曲，利用ANSYS软件建立模型，边界条件是两端铰接，施加斜向剪切作用力，进入POST26后得出墩柱结构受剪切模型如图9所示。

图9 墩柱斜截面抗剪性能分析模型

通过有限元建立模型，为墩柱施加斜向作用力，使墩柱结构斜截面发生剪切破坏，并对比分析素混凝土、仅设置纵向钢筋以及两种箍筋配置方式下墩柱斜截面的抗剪切承载力变化情况，设置两种不同箍筋配置方式，是为了进一步分析墩柱在地震产生的剪应力作用下的承载性能，以此说明箍筋的配置情况主要是针对地震荷载设计的，有限元分析结果如图10所示。

图10 不同配筋方式下墩柱斜截面抗弯极限承载力

根据图10分析结果，在不同配筋方式下，墩柱斜截面抗剪强度变化较大。对墩柱设置纵向钢筋和配置箍筋都有利于提高斜截面的抗剪强度性能。相对于素混凝土而言，纵向钢筋的设置能够提高83.75%的抗剪极限承载力，在箍筋配置方案1中，不仅满足抗震规范要求，而且提高的抗剪极限承载力为42 kN。在方案2中，使用螺旋箍筋直径为16 mm，使螺旋箍筋截面面积为201.061 9 mm2，配箍率达到0.628 3%时，墩柱斜截面抗剪极限承载力是素混凝土的2.85倍。对比两种箍筋配置方式下，斜截面的抗剪强度变化情况可知，在一定范围内，配箍率越大，斜截面抗剪极限承载力越大。根据混凝土设计规范，配箍率不宜过大，当配箍率过大时，虽然承载力高，但是结构破坏前的征兆不明显，而且箍筋无法达到屈服，这种情况下造成了箍筋强度的浪费。因此，在考虑地震荷载，通过配置箍筋提高斜截面抗剪强度时，还需根据混凝土强度等级、纵向构造钢筋等因素合理控制配箍率。

5 结语

从地震波及其对桥梁结构的影响分析入手，并以山西台襄线过境公路胡李汾河大桥为例，结合ANSYS有限元分析软件对地震作用下墩柱配筋及承载性能进行分析，最终得出以下结论：

a）地震荷载作用对桥梁下部结构产生的破坏形态主要包括回转变形增大的弯曲破坏、剪切裂缝形式的剪切破坏、位移过大引起的梁体垮落、应力集中导致的支座损伤4种。

b）通过对地震荷载下墩柱构造钢筋、箍筋设计计算以及承载性能分析，纵向架立钢筋主要起到构建结构框架，增强正截面抗弯性能的作用，而箍筋设置则能够增强抗剪切性能。

c）ANSYS分析结果得出，纵向钢筋是根据结构受力状况进行设计，而箍筋的设置主要按照结构抗震性能，用于提高结构斜截面抗剪性能而设。