美国桥梁抗震规范中各桥墩抗剪强度计算公式的差异

1、文章编号:1671-2579(200702-0092-04美国桥梁抗震规范中各桥墩抗剪强度计算公式的差异胡永1,2(1.中铁四局集团,安徽合肥230023;2.河海大学摘要:介绍了钢筋混凝土桥墩在强震动作用下的剪切机理。在评述美国A TC -32、Caltrans 规范及Priestley 等人建议的桥墩抗剪强度计算公式的基础上,从公式组成的角度分析了采用这3种计算公式进行桥墩抗剪强度计算时得出的结果存在差异的原因。通过12个钢筋混凝土桥墩模型试验与分析,得出结论:A TC -32和Caltrans 规范的抗剪强度计算公式相对保守,但对低延性墩的评价却偏不安全;Priestley 等人建议的公

2、式与试验吻合较好。关键词:桥墩;抗剪强度;强震动;剪切破坏机理;美国桥梁抗震规范收稿日期:2006-11-13基金项目:江苏省自然科学基金项目(编号:B K20051101前言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。遗憾的是,我国现行的公路工程抗震设计规范没有对钢

3、筋混凝土墩柱的抗剪设计作出特别的规定,而现行的公路桥涵设计规范中的抗剪强度计算公式只适用于梁。国外目前已有一些不同的理论研究成果和规范公式,但由于强震动作用下钢筋混凝土桥墩的剪切破坏机理复杂,影响因素众多,各规范在制定时考虑的因素不同。因此,各种桥墩抗剪强度计算公式的表达式存在很大差别。每种表达式都宣称和试验有很好的吻合,但对相同的实例往往得出不同的剪切强度。这种理论与实践的不符,使得设计者在很多情况下只能非常保守地取用下限值。鉴于此,本文首先介绍了钢筋混凝土桥墩在强震动作用下的剪切机理;然后在评述美国A TC -32、Calt rans 规范及Priestley 建议的桥墩抗剪强度计算公式的

4、基础上,从公式组成的角度分析了采用这3种计算公式进行桥墩抗剪强度计算时得出的结果存在差异的原因;最后通过试验与分析对这3种公式的合理性与准确性进行了评估,可供工程设计人员参考。2强震动下钢筋混凝土桥墩剪切机理在强震动作用下,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29中外公路第27卷第2期

5、2007年4月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。3A TC-32、Calt rans规范

6、及Priestley 建议的桥墩抗剪强度计算公式3.1ATC-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: V n=V c+V s(1在塑性区外:V c=0.17×1+P e/13.8×A gfc A e(2在塑性区内:V c=0.17×0.5+P e/13.8×A gfc A e(3式中:P e为桥墩承受的轴压力;A g为桥墩全截面面积;A e为有效剪切面积,取A e=0.8A g,对直径为D的圆形截面,A e=0.628D2;fc为混凝土轴心抗压

7、强度。各规范给出的V s的形式基本上相同。A TC-32的计算公式如下:对矩形截面:V s=A v f yh d/S(4对圆形截面:V s=A h f yh D/2S(5式中:A v为平行于剪切方向的箍筋面积;A h为单肢箍筋的面积;f yh为螺旋箍筋的屈服强度;d为计算方向上箍筋环的间距,取计算方向上截面深度的0.8倍; D为圆形箍筋环直径;S为箍筋间距。3.2C altrans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:V n=V c+V s(6V c=vc×A e(7A e=0.8A g(8在塑性区内:vc=factor1&

8、#215;factor2×fc0.33fc(9在塑性区外:vc=0.25×factor2×fc0.33fc(10factor1=s f yh/12.5+0.305-0.083d(0.025factor1<0.25( 11factor2=1 +P e/13.8×A g<1.5(12 factor1与位移延性、factor2与轴向压力的关系分别见图1、图2。箍筋贡献计算公式与A TC-32相同。图1factor1与位移延性的关系图2factor2与轴压应力的关系3.3Priestley公式Priestley等人根据试验结果提出的抗剪能力公式包含3

9、项:V d=V c+V s+V p(13式中:V p为轴向压力对抗剪强度的贡献。(1混凝土的贡献V c=k fc A e(14k是一个随塑性区曲率延性增加而下降的系数,在塑性铰范围内,k可表示为的函数,如图3所示。其值从=3时的0.29开始下降,当15时k等于0.042。当柱在两个正交方向上均发生延性反应时,k值在=1时便开始下降,k值的折减出现得比单轴受力时要早。在柱塑性区以外的区段,k保持初392期美国桥梁抗震规范中各桥墩抗剪强度计算公式的差异始值0.29不变。图3混凝土抗剪强度贡献与曲率延性之间的关系(2横向箍筋的贡献V s=A v f y Dcot/S(矩形截面(15 V s=A h

10、f yh Dcot/2S(圆形截面(16式中:f y为横向箍筋的屈服强度;D为核心截面尺寸,即周边箍筋中心线的距离;是弯剪裂缝和墩轴线夹角;S为箍筋间距。(3轴压力P对抗剪强度的贡献V p=P tan(17 tan=D-c/2a(18式中:对于无反弯点柱,为轴压力作用点和柱塑性受压区中点的连线与柱中轴线的夹角,对于具有反弯点的柱,为柱轴线与两端受压区中点连线的夹角;D为全截面深度或直径;c为弯曲受压区高度;a为危险截面到反弯点的距离,悬臂墩柱取墩柱高度,顶端固接时取墩柱高度一半。4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

11、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:(1Priestley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。(2Priestley等人建议的计算公式很好地

12、考虑了弯曲延性对剪切强度的折减作用,因为通过研究表明,塑性铰区的剪切强度随着延性比的增加而降低。而A TC-32比较简单地处理了延性发展对混凝土抗剪能力的降低影响:塑性区内的剪切强度比塑性区外的剪切强度减小了0.085fc A e。Calt rans中V c的计算公式比A TC-32具体。塑性区内,引入系数fac2 tor1来考虑配箍率和延性发展对抗剪强度的影响,并规定其下限为0.025,上限为0.25,factor2是随轴压应力变化的系数,当轴压应力大于6.8M Pa时,便认为轴压力对抗剪强度的增强作用不再增加;塑性区外计算公式,可看作factor1取上限0.25时的一个特例,当桥墩中的轴压

13、应力不大于6.8M Pa时,Calt rans对塑性区外混凝土抗剪强度的估计要比A TC-32的估计高出近一半。Calt rans公式在塑性区内混凝土的贡献比塑性区外降低了(00.225fc A e。(3Priestley等人建议的桥墩抗剪能力公式中一般取为30°,除非构件的对角线对应于构件轴线成一个更大的角度时,才能使用这个较大值。试验表明,随延性的增加而减小,反映了桁架机构抗剪能力的提高。但在其他规范中大多采用45°,因为箍筋对抗剪强度的贡献机理,通常认为是桁架机构原理,即箍筋帮助了与主轴方向成45°角的受压短柱的形成。因此,箍筋拉力在与主轴方向成45

14、6;角方向上的分力,就作为箍筋对抗剪强度的贡献。当取=45°时,Priest2 ley与A TC-32和Calt rans对箍筋贡献的估计相同; Priestley等人取=30°,使结果比A TC-32和Cal2 t rans高出约73.2%。为了更直观地分析由3个公式得出的结果存在差异及各公式的优缺点,从文献8中选取3组12根桥墩模型,并对其进行Pushover和拟静力加载试验。根据这些试验资料对这3个公式进行计算,再由得出的计算值与试验值作比较,如表16所示。3个公式计算结果与试验结果的比较统计如表7所示。表1拟静力加载抗剪强度实测值与ATC-32公式计算值对比模型编号

15、延性系数实测值/MN计算值/MN偏差/%49中外公路27卷表2Pushover加载抗剪强度实测值与ATC-32公式计算值对比表3拟静力加载抗剪强度实测值与C altrans公式计算值对比模型编号实测值/MN计算值/MN偏差/%表4Pushover加载抗剪强度实测值与C altrans公式计算值对比模型编号实测值/MN计算值/MN偏差/%表5拟静力加载抗剪强度实测值与Priestley公式计算值对比模型编号实测值/MN计算值/MN偏差/%表6Pushover加载抗剪强度实测值与Priestley公式计算值对比模型编号实测值/MN计算值/MN偏差/%表7计算结果与试验结果偏差统计表公式构件所属结果

16、偏差个数10%以内10%20%20%30%30%40%40%以上A TC-32无无345 Caltrans3333无Priestley102无无无从表17中可得出以下结论:A TC-32公式的计算结果与试验结果偏差较大;Caltrans公式的计算结果与试验结果符合稍好,但离散性较大,如表中所示,20%以内的偏差与20%以外的偏差各占一半; Priestley公式的计算结果与试验结果偏差都在20%以内,其中分布在1%16%之间的有10个,近似于正态分布,因此计算结果与试验结果符合较好。综合以上分析,可得出以下结论:在塑性区内, A TC-32公式对混凝土贡献的抗剪承载力的降低只是乘以系数0.08

17、5,这种处理方法比较简单,对于低延性墩,估计过于保守,对于高延性墩,估计过高。在塑性区外,对混凝土贡献的估计,A TC-32、Calt rans分别是Priestley的59%和86%;对箍筋贡献的估计, A TC-32、Calt rans是Priestley公式的58%;对轴压力贡献的估计,Priestley的估计与墩柱长细比成反比,即矮柱较大一些,长柱较小一些,这与试验是相吻合的。总体上,A TC-32、Caltrans公式都比Priestley等人给出的公式保守,但对于低延性墩的评价却偏不安全,Priestley等人建议的公式与试验吻合较好。5结论本文对钢筋混凝土桥墩在强震动作用下的剪切

18、机理进行了讨论。在评述美国A TC-32、Caltrans规范及Priestley等人建议的桥墩抗剪强度计算公式的基础上,从公式组成的角度分析了采用这3种计算公式进行桥墩抗剪强度计算时得出的结果存在差异的原因。通过试验与分析可得出结论:A TC-32和Calt rans规范的抗剪强度计算公式相对保守,但对低延性墩的评价却偏不安全;Priestley等人建议的公式与试验吻合较好。笔者认为,应通过更多的实际桥梁震害资料和试验,在透彻理解钢筋混凝土桥墩在强震动作用下的剪切机理的基础上,对以上公式的合理性与准确性进行评估,以便更好地为工程设计人员提供借鉴。592期美国桥梁抗震规范中各桥墩抗剪强度计算公

19、式的差异文章编号:1671-2579(200702-0096-03斜板桥的优化及应用刘小强1,2(1.湖南大学,湖南长沙410082;2.湖南省交通规划勘察设计院摘要:钢筋混凝土结构是目前土木工程中的重要结构形式。该文结合当前出现在桥梁工程中的结构裂缝的现状,对整体现浇斜板桥和装配式斜板桥这两种结构形式的受力特性和构造进行比较,结合实际工程,研究整体现浇斜板桥出现底板裂缝等病害的原因,应用空间有限元程序对其进行结构内力、应力计算分析,从而对整体现浇斜板桥的底板裂缝产生的原因及裂缝的分布形式得出了理论上的相关结论,提出斜板桥这种形式的桥梁在当今高速公路建设中的合理性的建议。关键词:钢筋混凝土结构

20、;裂缝;桥梁工程;分析收稿日期:2006-11-20作者简介:刘小强,男,硕士研究生,工程师.E -mail :liucalf_liucalf 近年来随着高等级公路的修建,由于城市立交桥建设的需要,斜桥、弯桥在我国已被广泛采用。随着时间的推移,许多弯桥、斜桥出现了不同程度的病害,因此需要及时进行维修。在众多斜桥病害中,以整体现浇斜板桥病害尤为突出。这些病害主要包括:整体爬移、支座脱空、底板裂缝等,其中以底板纵向偏锐角方向的裂缝最具代表性。裂缝会严重影响结构的承载力及耐久性。目前有关斜板桥的理论尚不够完善,研究不够深入,解决方案不足;规范有关设计的条文也不完善。使得工程设计人员难于操作,因此有必要对斜板桥的受力特点进行分析。1影响斜板桥受力的一些参数斜交板桥的受力状态与正交板桥有许多不同,除了与桥的宽跨比、斜交角(规定为支承边的垂线与自由边之间的夹角等参数(图1有关外,还与板的抗弯、抗扭刚度、支承条件和荷载状态等有关。为了简化计算,我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规参考文献:译.桥梁抗震设计与加固M .北京:人民交通出版社,1997.2Priestley M J N ,Verna R ,Xiao Y.Seismic Shear Strengthof Reinforced Concrete ColumnsJ .Journal of Structural Engine