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钢筋混凝土墩柱抗剪性能的影响分析.pdf

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资源描述

1、1 8 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g J u n e , 2 0 1 0 文章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 1 8 - 0 4 钢筋混凝土墩柱抗剪性能的影响分析 杨雅勋 , 黄 华 ( 1 长安大学 桥梁与隧道 陕西省重点实验室 , 西安7 1 0 0 6 4;2 长安大学 建筑工程学院 , 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要 : 地震 中桥 梁墩柱 的剪切破 坏是其 主要破坏 现 象之 一。通过 有 限元 程序 A N S Y S分析 了钢筋 混凝土 墩 柱的抗 剪性 能及其影 响 因素

2、。研 究表 明 : 混凝 土强度 、 墩 柱轴压 比、 配箍 率 及墩 柱 高度 对墩 柱抗 剪性 能均有很 大影 响 ; 墩柱 宜采 用较 高强度等 级的混 凝土 , 同时控 制轴 压 比在 适 当范 围; 增 大 配箍 率能提 高 箍 筋屈服 时墩 柱的承栽 力和延性 , 但对其 极限承 裁力和 延性 影响 不 大 ; 墩 柱越 高越 应控 制 好其 刚度 , 过 柔的墩 柱 易发 生剪切破 坏。 关键词 : 桥墩钢筋混凝土抗剪性能影响因素有限元分析 中图分 类号 : T U 3 7 5 3 文 献标 识码 : A 北 京时 间 2 0 0 8年 5月 1 2日下午 2时 2 8分 , 中

3、国 汶川发生 8 0级大地震 , 震中烈度高达 1 1 度 , 震源深 度约 1 6 k m。此次地震使得重灾区几乎所有的公路桥 梁遭受严重破坏, 桥 台滑移 、 梁和桥 台受挤压 、 锚栓剪 收稿 日期 : 2 0 0 9 - 1 2 - 3 0 ; 修 回日期 : 2 0 1 0 -0 5 - I 8 基金项目: 陕西省交通科技项 目( 0 7 - 0 6 k ) 。 作者简介 : 杨雅勋 ( 1 9 7 9 一 ) , 男 , 陕西西安人 , 讲师, 工学博士。 断、 系梁开裂 , 部分大桥由于落梁而毁坏。其破坏形式 多 样 , 程度 极其严 重 , 就调 查 区域 情 况来 看 , 灾

4、 区桥梁 破坏可以分以下几种类 型: 桥 台震害、 桥墩震害、 落梁 震害、 桥梁上部结构破坏和支座破坏。桥墩作为支撑 桥梁上部构造的主要构件, 其震害主要包括桥墩的断 裂和变形 , 破坏 如 图 1 所 示 。图 1 ( a ) 所示 为某大 桥墩 柱底部剪 切破坏 , 图 l ( b ) 为某大 桥墩柱系梁处 剪切 破 坏 , 图 1 ( c ) 为 某 大桥 墩 柱压 溃 。对 于梁 式桥 梁 , 只 要 表 5桥墩方案比较 比较项 目 半 幅双柱式桥墩 半幅薄壁板式桥墩 经 i开住 伴 价 造 价 低 造 价 比 双 柱 式 桥 墩 梢 商 应 用 经 验 鋈 襞 是 羹 技 术 比

5、施 工 难 度薷 工蓑 柔 墨 蓑 施 工 的 桥 梁 景 观 墩 柱 林 立 ,不 够 美 观 鬟 墩 线 形 流 畅 新 颖 美 桥下空间 不够开阔, 采光较差 比较 开阔, 采光较好 占 她 糖 持 在 表 5中, 对这 两种桥墩 方案从 经济 、 技术 与景 观 等各个方面进行了对 比。总体而言, 半 幅薄壁板式桥 墩经济性略差于半幅双柱式桥墩, 而两者在技术方面 都不存在问题 , 施工也都方便快捷。但薄壁板式桥墩 比半 幅双柱式 桥墩美观 , 占地较 少 , 桥下 的空 间也更为 开阔, 采光更好 , 更有利于桥下行车。经综合考虑, 本 段桥梁推荐采用半幅板式桥墩。 5 结 论 广州

6、至高明高速公路 ( 广州段 ) 桥梁采用两幅分 离式断面、 半幅薄壁板式桥墩 , 上部结构在等宽段采用 先简支后 结构连 续 的预应力 混凝 土小箱 梁 。该方 案可 以有效组 织交通 , 减 少 干扰 , 利 于 行 车顺 畅 、 安 全 。主 梁 、 桥墩形 式造 型美 观 , 增 加 桥下 车 道 透光 度 , 占地较 少 , 结构简洁美观 , 施工技术较为成熟 , 造价较低。跨 径以2 5 m跨为主 , 再根据具体路段的不同情况对跨径 进行调 整 。 参 考 文 献 I 姚玲森 桥梁工程 M 北京 : 人民交通出版社 , 2 0 0 2 2 中华人 民共 和 国交通 部J T G D

7、6 0 -2 0 0 4公路桥涵 设计 通用规范 S 北京 : 人 民交通出版社 , 2 0 0 4 3 中华人 民共 和国交通部 J T G D 6 2 -2 0 0 4 公 路钢筋 混凝 土及预应力混凝土桥涵设 计规范 S 北京 : 人民交通 出版社 , 2 00 4 4 中华人 民共 和 国交 通部J T G D 6 3 -2 0 0 7 公路桥 涵地基 与基础设计规范 S 北京 : 人 民交通出版社 , 2 0 0 7 ( 责任 审编孟庆伶) 2 0 1 0年第 6期 钢 筋混凝 土墩柱抗剪性能的影响分析 l 9 下部 结构 不倒 塌 , 上 部结 构在 地 震 中 的震 害 多 表

8、现 为 刚体移动, 而主梁开裂 、 破坏等结构性震害较少 , 这一 现 象与 日本阪 神地 震 中的情 况 较 为 相 似 。因此 , 确 保 地震 中桥 墩 的抗剪性 能 , 减 少其 致命损 伤 的发生 , 确 保 救灾 生命 线 的畅通具 有重要 意义 。 , 而 目前这 方面 的 研究 主要 集 中在建筑 结 构方 面 。 。本 文 以桥 梁 墩 柱 的剪切破 坏为 研究对 象 , 通 过数 值分 析 , 指 出影 响墩 柱 抗剪 性能 的影 响 因素 , 为墩 柱 的抗剪 设 计 及 加 固 提 供 参考 ( a ) 墩柱底部剪切破坏 ( b ) 墩柱系粱处剪切破坏 ( c ) 墩柱

9、顶部剪压破坏 图 1 汶 川 地 震 中桥 梁 墩 柱 破 坏 形 态 1数值 分 析 概 况 桥 梁墩 柱 的剪切 破 坏在 汶 川 地 震 中表 现 较 多 , 此 处以某大桥为原型, 建立缩尺模 型, 通 过 A N S Y S有 限 元程序进行数值分析, 揭示其内在的影响机理。 模 型截 面见 图 2 , 材料参 数见 表 l 。主要考 虑混 凝 土强度 、 箍筋 数量 、 轴 压 比 、 墩柱 高 度 等 对墩 柱 抗 剪 性 能的 影 响 。柱 的 纵 筋 8根 6 2 5 mm, 屈 服 强 度 4 5 3 MPa 8 5 7: I 箍 筋 一 1 1 图 2模 型 截 面 及

10、尺 寸 ( 单 位 : mm) 2墩柱抗剪性能分析 2 1剪切破 坏 现象 数值计算结果见表 2 。表 中 为箍筋屈服时的 剪力 , u 为墩 顶 的屈 服 位 移 , 为 混 凝 土 剪 切 破 坏 时 的极 限剪力 , “ 为 墩 顶 的 极 限 位 移 。 由表 2可 见 , 随 墩 柱各 自参数 的不 同 , 特征 荷载均 有不 同程度 的变化 。 表 1试 件 编 号 及分 类 构件编号 ( k N。 m)“ ra m L ( k N m ) u mm 墩 柱破 坏 时 的 典 型应 力 云 图见 图 3 。 图 3 ( a ) 为 破 坏 时的混凝 土第 3主应 力云 图 , 由图

11、 3 ( a ) 可见 混凝 土达到抗 压 强度 , 发生剪压 破坏 。图 3 ( b ) 为钢 筋应 方 云图 , 由图 3 ( b ) 可见 , 箍筋发 生屈 服时 , 纵 向钢 筋远 未 达到屈 服强度 , 破 坏方式 为典 型的剪 切破坏 。 2 2 混 凝土 强度 的影响 混凝 土强 度对 抗 剪 性 能 的 影 响 曲 线见 图 4, 主 要 考 虑 C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0三种 强度 。 由图 4 ( a ) 结合 表 2数 据可见 , 混 凝土 强度 对墩 柱 抗 剪性 能有非 常大 的影 响 , 随混 凝土 强度提 高 , 箍 筋屈 服 荷载及 极 限荷载

12、均 增 大 , 墩 顶位 移 亦 同样 变 化 。 以 构件 D Z 1为参 照 , 屈服 荷载 提 高幅 度为 2 1 6 和 3 9 6 , 极限荷载提高幅度 为 3 7 7 和 6 5 6 ; 箍筋 屈 服时墩 顶位 移 的增 幅分 别为 2 6 和 4 8 , 极 限位 一 2 0 铁道建筑 ,! x 一 曼 ! x # 3 点J n , ,0 j ( a ) 混凝 土应力 云图 一 一 : 一 一 前 , - 0 _ _ : L 嚣 一 篓 = 一 0 00 I :一 一 。 一一羔 竺麓k : ! : 蔓 1 ! 。 啦 : : j 。 j ( b )钢筋应力云图 图 3 墩柱破坏

13、时的典 型应力云图 移的增 幅为 5 5 0 和 6 7 9 。 由图 4 ( b ) 可见 , 各墩柱箍 筋应力 发展趋势 基本 一 致 , 最初 阶段基 本不 受力 , 随混凝 土 开裂 , 逐 步 承受 荷 载。但混凝土强度最低的墩柱, 其箍筋最先受力 , 且混 凝 土强 度越高 , 箍 筋屈服及 破坏越 晚。 图 4 ( c ) 进 一步 说 明了混凝土强 度越 高 , 抗剪 承 载力 越 大。墩 柱 宜采 用较高 强度的混凝 土。 墩顶位移 ( a ) 剪力位移曲线 箍筋应力 MP a ( b ) 剪力灌 筋应力曲线 混凝土压应力 MP a ( c ) 剪力一 混凝 土压应 力曲线

14、图 4混凝土强度对墩柱抗剪性能的影响 2 3轴压 比的影响 轴压 比对抗 剪性 能 的影 响 曲线见 图 5 , 主要 考 虑 轴压 比分别 为 0 、 0 1 5 、 0 3 0和 0 5 0四种 情况 。 由图 5 ( a ) 结 合表 2数据可见 , 轴压 比对墩 柱抗 剪 性能有非常大的影响 , 随轴压比的提高 , 箍筋屈服荷载 及墩顶屈服位移均增大 ; 但极限荷载却先增 大, 后减 小 , 墩顶极 限位移 亦 同样 变 化 。以构 件 D Z - 4为 参照 , 屈 服荷 载提 高幅 度 为 5 I 2 、 1 0 5 9 和 1 5 6 0 , 而 极限荷载提 高幅度为 2 4 4

15、 、 2 5 2 和 1 8 5 ; 箍筋 屈服时墩顶位移的增幅分别为 0 、 1 6 1 和 2 0 8 , 极 限位 移 的增 幅为 3 1 、 一 2 5 8 和 一 5 9 2 。 由图 5 ( a ) 、 5 ( b ) 可 见 , 各 墩柱 箍 筋应 力发 展趋 势 基本一致, 轴压 比越小, 混凝土开裂越早 , 箍筋承受荷 载亦早 , 但过大 的轴压 比会对 墩 柱 的抗剪 承 载力 造成 不利影响, 使其抗剪承载力降低 , 延性变差。 对轴压比过大的墩柱可通过增大截面积的方法 , 来降低轴压 比, 提高抗剪承载力 , 并改善柱的延性。 墩顶位移 mm ( a ) 剪力一 位移曲

16、线 箍筋应力,q V l P a ( b ) 剪力一 箍筋应力曲线 混凝土压应力 MP a ( c ) 剪力一混凝土压应力曲线 图 5 轴 压 比对 墩 柱 抗 剪性 能的 影 响 2 4箍 筋用量 箍筋用量对抗剪性能的影响曲线见图 6 。主要考 虑配箍率分别为 0 1 9 、 0 3 7 和0 6 7 三种情况。 由图6 ( a ) 结合表 2数据可见, 随配箍率的提高 , 箍 筋屈服荷 载及墩 顶屈服位 移均增 大 ; 极 限荷 载亦同 , 但 墩顶极 限位 移则 变 化不 大 , 并且 可 能减 小 。以构 件 D Z 一 2为参照 , 屈服荷载提高幅度为 1 8 8 和 4 0 9 ,

17、 而极限荷载提高幅度为 2 3 和 1 3 4 ; 箍筋屈服时 墩顶位移 的增 幅分 别 为 4 0 3 和 1 0 6 0 , 极 限 位移 的增 幅为 一1 2 2 和 1 8 。 由图 6 ( b ) 、 6 ( C ) 可 见 , 各墩 柱 箍 筋 应 力 、 混 凝 土 应 力在加 载初 期基本 相 同 , 直到荷载达 到 3 0 0 k N以上 时 , 才有所 变化 。 由此可见, 通过 F R P 、 粘钢等进行抗剪加固, 其本 质上是增大墩柱的配箍率 , 这虽然可 以提高其屈服荷 载和增 大墩顶 的变形 幅度 , 但 极 限承 载 能力 变化 不会 很大 。 2 0 1 0年第

18、 6期 钢筋混凝土墩柱抗剪性能 的影 响分析 2 1 墩 顶位 移, m m ( a ) 剪力一位移曲线 箍筋应力 MP a ( b ) 剪力一箍筋应力曲线 0 -1 0- 2 0- 3 0- 4 0- 5 0 - 6 0 混凝土压 应力 MP a ( c ) 剪力一混凝土 压应力曲线 图 6箍筋用量对墩柱抗剪性能的影响 2 5柱 高度 柱高度对抗剪性能 的影响 曲线见图 7 , 主要 考虑 柱高分别为 4 0 0 m m、 6 0 0 mm和 8 0 0 m m三种情况。 由图 7 ( a ) 结 合 表 2数 据 可见 , 随 柱 高度 , 箍 筋 屈 服荷载及极限荷载均减小 ; 而墩顶屈

19、服位移及极限位 移增 大 。 以构 件 D Z 2为 参 照 , 屈 服 荷 载 提 高 幅 度 为 一 3 4 7 和一 4 5 3 ,而 极 限 荷 载 提 高 幅 度 为 一 3 3 2 和 一 5 2 。 2 ; 箍 筋 屈 服 时墩 顶 位 移 的增 幅分 别 为 2 6 8 和 1 0 7 3 , 极 限位 移 的增 幅 为 2 9 5 和 4 4 8 。 由图 7 ( b ) 、 7( C ) 可 见 , 各 墩 柱 箍 筋 应 力 、 混 凝 土 应力 随柱 高度增 加而发 展加 快 , 亦先达 到破 坏 。 说 明墩 柱 高度 增加 , 柔 度 增 大 , 墩 顶位 移 亦增

20、 大 , 但抗剪能力降低 , 过柔的墩柱在地震 中发生剪切的可 墩顶位 移 n u n ( a ) 剪 力一 位移 曲线 箍筋应 力 MP a ( b ) 剪力一箍筋应力曲线 0 -1 0 - 2 0- 3 0-4 0 - 5 0- 6 0 混凝土压应力 MP a ( c ) 剪力一 混凝土压应力 曲线 图 7 柱高度对墩柱抗剪性能 的影响 3 结 论 1 ) 混 凝 土 强 度 对 抗 剪 性 能 有 很 大 影 响 , 随其 增 大 , 墩 柱抗 剪承载 力 和变形 能力均 有所 提高 , 墩 柱设计 中应适 当提 高其混 凝 土强度 。 2 ) 墩柱 轴压 比应 适 当 , 过 大 的轴

21、 压 比会 对墩 柱 的 抗 剪 承载力 造成 不利 影响 , 使 其抗 剪承 载力 降低 , 延性 变差。大轴压比的墩柱可通过增大截面积 的方法, 来 降低轴压比, 改善柱 的延性。 3 ) 增 大 配 箍 率 可 增 加 墩 柱 剪 切 破 坏 时 的 屈 服荷 载和变形, 但对极限荷载和变形改变不大, 采用增大配 箍 率 的加 固方法 , 虽然 可 以提 高其 屈 服 荷 载 和变 形 能 力 , 但极 限承 载力及 变形 性能 的改 善不会 很大 。 4 ) 随墩柱 高度 增 加 , 其 柔 度 增加 , 墩 顶 位 移增 大 , 但 抗剪 能力 降低 , 地 震 中发生 剪切 破坏

22、的可能 性增大 , 墩 柱设计 不 宜过柔 , 已有 墩柱 应采 取措施 加强 其刚度 。 参 考 文 献 1 熊文林 , 蔡 向阳 汶川大地震棉 广高速桥梁 震害分析 J 华 中科技大学学报 ( 城市科学 版) , 2 0 0 9 , 2 6 ( 1 ) : 1 1 9 1 2 2 2 王东升 , 郭迅 , 孙 治 国, 等 汶川大地震 公路桥梁 震害初 步 调查 J 地震 工程 与工程振 动 , 2 0 0 9 , 2 9 ( 3 ) : 8 4 9 4 3 李鸿 晶 , 陆鸣 , 温增平 , 等 汶川地震 桥梁震 害的特征 J 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) , 2 0 0 9 ,

23、 3 l ( 1 ) : 2 4 2 9 4 黄承逵 , 曲福来 , 徐 士瞍 钢筋混凝 土不等 肢异形柱抗 剪 承载力研究 J 工 程力 学 , 2 0 0 9 , 2 6 ( 5 ) : 1 9 7 2 0 1 5 李俊华 , 王新堂 , 薛建 阳 型钢高强混凝 土短柱 的抗剪机理 与抗剪承载力 J 工程力学 , 2 0 0 8 , 2 5 ( 4 ) : 1 9 1 1 9 9 6 罗素蓉 , 郑建岚 , 郑作樵钢纤维钢筋 混凝 土柱 的抗 剪承 载力计算方法 J 工程 力学 , 2 0 0 2 , 1 9 ( 6 ) : 7 8 - 8 1 7 管 品武 , 邹银生 , 刘立新反复荷

24、载下钢筋混凝土框架柱 抗剪承载力分析 J 世界地震工程 , 2 0 0 0 , 1 6 ( 2 ) : 5 2 5 6 8 X I A O Y, wu HC o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c o n c r e t e c y l i n d e r s c o n fi n e d b y c a r b o n fi b e r c o m p o s i t e j a c k e t s J J o u r n a l o f M a t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ,AS C E,2 0 0 0,1 2 ( 2) :l 3 9 - 1 4 6 9 胡巧玲 跨线桥墩柱病害原因分析与加 固效果 J 铁道建 筑 , 2 0 0 9 ( 3 ) : l o 0 1 o 3 1 O 肖明文 , 刘 伟哲 新建 铁路桥墩 病害形成 原因分析 及其劣 化评定标准的探讨 J 铁道建筑 , 2 0 0 8 ( 2 ) : 2 8 - 3 0 1 1 卢炜 , 李承君 大秦重 载铁路 既有 中高 圆形 桥墩加 固方案 的研究 J 铁道建筑 , 2 0 0 8 ( 4 ) : 1 7 1 9 ( 责任 审编王天威)

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