1、提高混凝土桥墩的抗震性能的若干问题摘要：强烈地震作用下，高强箍筋和改善钢筋混凝土短柱对保证高强混凝土柱的抗震能力具有重要意义。为研究高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震性能，对国内外进行的混凝土抗压强度在40112 MPa、箍筋屈服强度在4001569 MPa 的混凝土柱的抗震拟静力试验结果进行广泛总结，得出一个广泛的结论为，对于承受较高轴压的高强混凝土柱，通过合理配置高强箍筋，是可以充分保证其延性和耗能能力的；而对于承受较低轴压的高强混凝土柱，只要箍筋间距满足要求，使用高强箍筋一般能保证其延性抗震性能。同时，通过改善钢筋混凝土短柱的措施，也可以使短柱的抗震性能显著提高。关键词：钢筋混凝土；短柱；高
2、强箍筋；抗震性能引言现代土木工程结构向大跨、高耸、重载及承受恶劣环境的方向发展， 推动了高强混凝土在现代土木工程中的应用。在建筑结构的框架柱或桥墩中， 与普通强度钢筋混凝土墩柱相比， 高强混凝土柱的主要优点在于： 增大结构强度和刚度； 更易于实现“强柱弱梁” 的设计思想； 由于高强混凝土早期强度较高， 加快了施工进度； 减少了对钢筋锚固长度要求； 减少截面尺寸， 增加下部净空； 提高耐久性， 这一点对更易于遭受腐蚀的桥墩来说尤为重要。高强混凝土的脆性对墩柱结构的延性和耗能能力产生较大影响， 特别是当其承受较大轴压时， 使用普通强度的约束箍筋， 为满足延性抗震要求而需要的配箍率较高， 造成箍筋配
3、置太密以至于无法施工， 大大限制了高强混凝土结构在强震区的使用。而采用高强箍筋以减少配箍率， 对柱形成有效约束并提高高强混凝土柱的延性抗震性能， 为高强混凝土结构在强震区的推广应用提供了新的解决途径。在美国， 强度达113.9 MPa 的超高强混凝土已经在西海岸震区使用， 高层建筑柱使用强度达100 MPa以上的混凝土已屡见不鲜。日本建设省在19881993年开展了题为“采用高强度混凝土和钢筋开发先进的钢筋混凝土建筑” 的5 年全国性研究项目， 其目的在于生产出抗压强度在30120 MPa 的混凝土， 以及屈服强度在4001200 MPa 的高强度钢筋， 并在开发新的钢筋混凝土建筑时使用这些材
4、料。在我国， 早期如清华大学、大连理工大学， 近期如沈阳建筑大学等高校也对高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震性能进行了研究。有所不同的是， 清华大学和大连理工大学使用的高强箍筋主要为冷轧带肋钢筋， 屈服强度约在550750 MPa； 而沈阳建筑大学阎石教授主要采用屈服强度为1300 MPa 左右的高强预应力棒作为横向约束箍筋。我国台湾学者结合岛内“高速铁路计划”， 对高强箍筋约束高强混凝土空心截面桥墩的抗震性能也进行了较多研究。通过国内外钢筋混凝土柱（桥墩） 抗震性能的研究文献发现， 即使对于普通强度的混凝土柱， 国外也较多采用屈服强度在400 MPa 以上的高强钢筋配箍， 我国台湾学者在近期关于
5、空心截面桥墩抗震性能的研究中， 使用的箍筋强度也多在400 MPa 以上。而目前我国大陆仍较多采用强度较低的HPB235级钢筋作为箍筋， 总体上比国外低一个强度等级， 难以有效保证高强混凝土墩柱在高轴压下的抗震安全，同时， 低强钢筋也含有较多的不经济因素。本文在总结国内外相关文献的基础上， 对采用高强箍筋约束的高强混凝土柱（桥墩） 的抗震性能进行介绍， 以期促进这一技术在我国的应用和发展。需要说明的， 本文所讨论的高强箍筋约束高强混凝土柱， 是指混凝土圆柱体抗压强度大于40 MPa、箍筋屈服强度大于400 MPa 的高强混凝土柱， 作者搜集了137 根高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震拟静力试验结
6、果（混凝土圆柱体抗压强度范围为40112 MPa，箍筋屈服强度范围为4001569 MPa）， 并总结了高强混凝土柱（桥墩）矩形应力图、抗剪强度、约束箍筋用量及延性等抗震性能的研究结论。每个柱的混凝土强度与箍筋强度的关系如图1 所示。本文中， 如无特殊说明， 混凝土强度均指圆柱体抗压强度， 箍筋强度均为屈服强度。图1 混凝土强度与箍筋强度的关系1 高强箍筋约束高强混凝土柱压弯构件的矩形应力图我国混凝土结构设计规范（GB 500102002）、美国ACI 31805 规范以及新西兰规范NZS 31011995均采用等效矩形应力图计算混凝土结构在压弯作用下的抗弯承载力。在矩形应力图中， 主要有两个
7、参数1和1， 对混凝土柱抗弯承载力的计算起重要作用。我国混凝土结构设计规范（GB 500102002）中， 矩形应力图的应力值为混凝土轴心抗压强度设计值乘以1， 当混凝土强度等级不超过C50 时， 1取为1.0， 当混凝土强度等级为C80 时， 1取为0.94，其间按线性内插法确定； 参数1为矩形应力图高度与混凝土受压区高度的比值， 当混凝土强度等级不超过C50 时， 1取为0.8， 当混凝土强度等级为C80 时，1取为0.74， 其间按线性内插法确定。ACI 31805 规范的矩形应力图， 参数1为矩形应力图中的应力与混凝土圆柱体抗压强度的比值， 取为0.85， 参数1为矩形应力图高度与混凝
8、土受压区高度的比值， 当抗压强度fc在1728 MPa 时， 取0.85， 当fc超过28 MPa， 抗压强度每增加7 MPa， 1减少0.05， 但不小于0.65。新西兰规范NZS 31011995 适用的混凝土抗压强度范围最高为70100 MPa：fc55 MPa 时，1= 0.85 - 0.004（fc-55）0.75 （1）fc30 MPa 时，1= 0.85 - 0.008（fc-30）0.65 （2）各国规范规定的矩形应力图主要基于普通强度的混凝土柱压弯试验结果得到， 随着高强及超高强混凝土的广泛应用， 这些公式能否应用于高强混凝土柱的正截面承载力计算值得探讨。近期的研究结果表明，
9、 当混凝土强度较低时， 按照ACI 31805 规范及新西兰NZS 31011995 规范计算的柱抗弯强度偏于安全， 但是对于承受较大轴压的高强混凝土柱，计算结果较大， 偏于不安全。我国混凝土结构设计规范（GB 500102002） 及叶列平教授对高强混凝土矩形应力图的规定也仅限于C80 及以下强度的混凝土构件， 对于C80 以上混凝土压弯构件的矩形应力图则没有说明。基于此，不少学者根据高强混凝土柱的压弯试验结果对矩形应力图进行修正， 使其适用于高强混凝土压弯柱的正截面承载力计算。Azizinamini 等人通过对屈服强度在454753MPa 之间的高强箍筋约束高强混凝土柱的拟静力试验发现，
10、当混凝土抗压强度小于55 MPa 时， 按ACI 318规范计算的桥墩抗弯强度小于试验值， 偏于安全； 当混凝土强度大于97 MPa 后， 按ACI 318 规范计算的桥墩抗弯强度偏大， 可能不安全。并建议， 当混凝土抗压强度大于69 MPa 时， 对1值进行修正：1= 0.85 - 0.05 fc-696.9 ! “0.60 （3）Attard 等基于概率分析结果， 提出了适用于高强混凝土柱的双参数矩形应力图，用于抗压强度在20100 MPa 之间的混凝土：1= k1k3= 1.2932（fc）-0.09980.71 （4）1= k2= 1.0948（fc）-0.0910.67 （5）Ozb
11、akkaloglu 等通过对高强混凝土柱的回归分析， 提出了如下矩形应力图表达式， 适用于混凝土强度最高达130 MPa 的高强混凝土柱：fc30 MPa 时，1= 0.85 - 0.0014（fc-30）0.72 （6）1= 0.85 - 0.0020（fc-30）0.67 （7）2 高强箍筋约束高强混凝土柱的抗剪承载力强震作用下， 钢筋混凝土柱的脆性剪切破坏将严重削弱结构的整体抗震能力。近几十年来， 对于钢筋混凝土柱或桥墩的抗剪承载力分析， 已经发展了不少分析模型， 但对于高强箍筋约束高强混凝土柱的适用性， 尚值得探讨。且从目前所进行的试验研究来看，大量的试验集中针对于高强箍筋约束高强混凝
12、土柱的弯曲破坏， 专门针对其抗剪承载力进行的研究还较少。美国ACI 31805 规范规定的压弯构件抗剪承载力计算公式：Vn=Vc+Vs （8）Vc= 0.17 1+ Nu14Ag ! “姨fc bwd （9）Vs= Av fytds （10）式中： 姨fc8.3 MPa， Vc、Vs分别为混凝土和箍筋提供的抗剪承载力； Nu为设计轴力大小； Ag为柱的截面积； bw为柱截面宽度， 对于圆形截面柱为截面直径； d 为受压区边缘至受拉纵筋中心之间的距离Av为间距s 内的抗剪箍筋总面积； fyt为箍筋屈服强度； s 为箍筋间距。Priestley 等建议的UCSD 模型：V=Vc+Vs+Vp （11
13、）Vc = k姨fc Ae （12）式中： k 为混凝土的抗剪承载力随柱位移延性增加而退化的系数； Ae为柱的有效抗剪面积， 可取为0.8 倍截面积； 对于圆形截面柱，Vs=2Ash fyhDs cot （13）对于方形截面柱：Vs= Av fyhDs cot （14）式中： D为柱加载方向上最外侧箍筋中心之间的距离； 为剪切裂缝与柱轴线之间的夹角。Vp= D- c2a P （15）式中： VP为轴力提供的抗剪承载力；D 为柱的宽度；c 为混凝土受压区高度； a 为柱反弯点至柱底的高度。Kowalsky 等在UCSD 模型的基础上， 对箍筋和混凝土对柱抗剪强度贡献的计算公式进行了修正， 提出了
14、改进的UCSD 模型。Martirossya 和肖岩通过高强箍筋（449 MPa）约束的高强混凝土（86 MPa） 柱的拟静力试验结果表明， 由于高强混凝土的脆性， 其提供的抗剪承载力随位移的增加快速退化， ACI 31805 规范和Priestley等的UCSD 模型均过高地估计了高强混凝土墩柱的抗剪强度， 偏于不安全， 并且对UCSD 模型公式进行了局部修正， 以考虑高强混凝土对柱抗剪承载力的贡献随位移增大而快速退化的特性。Budek 等进行的试验结果（ 箍筋强度高达1569 MPa、混凝土强度在4047 MPa） 表明， 高强箍筋可有效提高柱的抗剪强度， 但ACI 318 规范规定的抗剪
15、强度计算结果偏于不安全。而改进的UCSD 模型可较好地计算高强箍筋约束高强混凝土柱的抗剪能力。3.2.2 高强箍筋约束高强混凝土柱在低轴压下的延性抗震性能对于承受较低轴压的高强混凝土柱， 不建议使用强度超过500 MPa 的高强约束箍筋， 主要原因在于低轴压下高强混凝土柱的延性易于保证， 使用强度在400500MPa 之间的约束箍筋即可得到较好的延性水平， 同时， 约束箍筋强度太高但箍筋间距太大时，易引起纵筋的过早屈曲， 对柱的延性不利。Budek和Bing 等的研究表明， 为防止纵筋的过早屈曲而引起的延性降低， 对普通强度的箍筋， 建议箍筋最大间距为4 倍纵筋直径， 对超高强箍筋， 最大间距
16、为纵筋直径的5 倍。Hwang 等人对混凝土强度为68.6 MPa、轴压比约为0.3、配箍强度在548.8779.1 MPa 之间的8 根方形截面高强混凝土柱进行了抗震性能的拟静力试验研究， 结果表明， 当配箍为1.42 倍ACI 318 规范规定的配箍量时， 高强混凝土柱表现出较好的延性， 其位移延性系数在3.694.85 之间， 曲率延性系数均超过10， 同时发现， 高强箍筋虽然能够保证箍筋间距较大的情况下满足对混凝土的约束要求， 但间距过大必然引起纵筋的过早屈曲， 对延性不利， 且对于轴压比在0.3 以下的高强混凝土柱， 使用强度过高的箍筋对柱的抗震延性几乎没有影响。Thomsen 等人
17、研究了高强箍筋（强度7931276MPa 之间） 约束高强混凝土（圆柱体抗压强度在71103 MPa 之间） 柱在低轴压（00.2 比在之间）， 低配箍（小于或等于ACI 31889 规范的50） 下的抗震性能， 试验研究发现， 所有柱均能达到2的极限侧移角， 且当轴压为0 时， 侧移角可达4以上， 在轴压较低的情况下， 使用超高强箍筋对柱的延性影响不大。肖岩等进行的高强混凝土柱抗震性能的足尺试验结果表明， 对于混凝土强度达64 MPa， 轴压比为0.2， 配箍率仅为ACI318 规范的82的高强混凝土柱， 采用强度为524 MPa 的高强箍筋， 即能达到6.0的最大侧移角。Matamoros
18、 等将高强与普通强度混凝土桥墩在同样轴力（不是轴压比） 下的抗震性能进行对比， 主要讨论轴力、混凝土强度等参数对桥墩抗震性能的影响， 高强混凝土柱式构件中， 混凝土抗压强度约为70 MPa， 箍筋强度在400500 MPa 之间， 轴压比在037之间， 主要结论为： 桥墩的轴力提高， 极限侧移角降低， 但是在轴力较小的情况下， 影响并不明显； 尽管高强混凝土表现出更大的脆性， 但在同样的轴力下， 混凝土强度提高， 桥墩的极限侧移角反而增大， 且柱塑性铰区混凝土压碎脱落对应的延性增大，从而得出结论：在同样的轴力下， 使用高强混凝土柱可有效避免地震中混凝土的压碎脱落， 节约震后维护费用；使用强度达
19、70 MPa 的混凝土柱， 当轴压比小于30时， 按照ACI 318 规范配置箍筋的混凝土柱， 其极限侧移角可达4。Martirossyan 和肖岩对混凝土强度为7686MPa、轴压比在0.10.2 之间、箍筋强度为510 MPa的6 根方形截面高强混凝土柱进行的拟静力试验表明， 对于配箍满足ACI 31895 规范要求的高强混凝土柱， 轴压比小于0.2 时， 柱的位移延性系数可达到68， 对于配箍为ACI 318 规范的50， 但轴压比小于0.1 的高强混凝土柱， 仍能达到较好的延性； 对于使用较粗纵筋的高强混凝土柱，由于纵筋抵抗屈曲的能力增加， 柱的延性增加。3.2.4 箍筋弯钩对柱延性的
20、影响强烈地震作用下， 钢筋混凝土柱塑性铰区混凝土保护层压碎脱落以后， 箍筋应力急剧变大， 并对核心混凝土和纵筋提供有效约束， 箍筋不被拉断或弯钩不拉开是保证墩柱抗震延性的重要前提。Priestley 和Park指出， 在柱的塑性铰区，箍筋接头必须焊接牢固或者弯成135弯钩并深入核心混凝土长度超过8倍箍筋直径。Saatcioglu 等人进行的试验表明，在圆形截面高强混凝土柱中， 在保证箍筋90弯钩且深入核心混凝土后， 单根的环形箍筋可对高强混凝土柱起到与螺旋箍筋相同的约束效应， 但在加载后期， 螺旋箍筋更能有效保证纵筋的稳定性。Ho 等的试验结果表明， 对于方形截面的高强混凝土柱， 在塑性铰区，
21、 当箍筋弯钩仅为90时， 试验过程中弯钩张开， 纵筋过早屈曲， 建议箍筋应弯成135弯钩且深入核心混凝土长度大于6 倍箍筋直径。Lgeron 和Paultre对方形截面混凝土柱进行的试验证实了这种做法对保证高强混凝土柱延性的有效性。3.2.5 墩台对柱的约束作用在钢筋混凝土柱或桥墩构件中， 由于柱的基础或桥墩的墩台对临近的柱中混凝土的有效约束（stubeffect）， 在地震作用下， 柱的破坏区域并不是发生在弯矩最大的柱与墩台交汇处， 而是上移一定距离（图2）， 并造成墩柱的承载力提高。肖岩等发现墩台的约束区域约呈45夹角， 即约束高度约为0.5 倍柱的直径。图2 墩台的约束作用2 短柱的破坏
22、形态短柱破坏形态与长柱明显不同,其刚度大,变形能力和耗能性能差,其破坏形式一般分为剪切破坏和粘结破坏。破坏时斜向交叉裂缝贯通,柱的强度急剧下降,发生沿斜截面滑移、混凝土严重剥落等脆性破坏。因此,当建筑物遭遇该地区设防烈度或高于该地区设防烈度的地震作用时,容易形成薄弱环节而造成结构破坏甚至倒塌。3 改善短柱抗震性能的措施国内外学者从不同角度,针对改善短柱的抗震性能问题进行了研究:(1) 采用分体柱技术实现变“短柱”为“长柱” 。在地震作用下,短柱常因剪坏而失效,其抗弯强度不能完全发挥。分体柱技术就是采用隔板(石膏板、纤维板或竹胶板等)将短柱分为2或4个柱肢,并分别配筋(见图4) ,从而削弱短柱的
23、抗弯强度,使抗弯强度相应于或低于抗剪强度。这样,在地震作用时,柱子将首先达到抗弯强度,呈现延性的破坏形态。研究结果表明,分体柱虽然使构件的抗弯承载力有所降低,但抗剪承载力基本不变,且构件的变形能力和延性均得到显著提高,其破坏形态由剪切型转化为弯曲型,改善了短柱尤其是剪跨比 1. 5的超短柱的抗震性能。分体柱技术对改善短柱的抗震性能有着良好的效果。(2) 笔者从提高短柱的受剪承载力改善其抗震性能的角度出发,提出了在异形截面短柱中配交叉钢筋的抗震措施,明显提高了异形截面短柱的抗震性能。(3) 采用型钢混凝土短柱。型钢混凝土柱由型钢和外包混凝土组成,型钢通常采用由钢板焊接拼制或轧制而成,其型钢截面通
24、常采用矩形截面和十字形截面等,如图5所示。型钢混凝土可充分发挥钢和混凝土两种材料的优点,与钢筋混凝土结构相比,由于配置了型钢,使柱的竖向和水平承载力大大提高,从而有效减小了柱的截面尺寸;型钢翼缘与箍筋对混凝土有很好的约束作用,使混凝土的延性提高,加上型钢本身良好的塑性,使短柱改善了延性,提高了耗能能力。(4) 采用钢纤维混凝土。这种思想是从改善柱子的材料性能入手,通过在普通混凝土中掺入钢纤维,使得混凝土中的钢纤维与混凝土共同承担荷载,使混凝土的材料特性向着钢材靠拢。钢纤维混凝土具有较高的抗拉强度、抗疲劳、高韧性等性能,从而大大改善了混凝土柱的延性,提高了承载力,有效地改善了短柱的抗震性能。(5
25、) 加强对混凝土的约束作用,使混凝土的抗压承载力得到大幅提高,从而防止构件在较大剪压比情况下发生剪压破坏以改善短柱的抗震性能。目前,增强混凝土约束作用的措施主要有:增强箍筋约束力,国内外试验均表明,加强箍筋对混凝土的约束,可提高柱子的极限变形角,增强其抗剪承载力,这也符合高层建筑框架柱应满足剪压比限值和“强剪弱弯”的要求;采用钢管混凝土,钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形管或方形钢管内而形成的组合构件,由于钢管内混凝土受到钢管的侧向约束使得混凝土处于三向受压状态,从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到提高,显著改善了短柱的延性。(6) 使用碳纤维布约束混凝土。这种方法是用碳纤维布从外围对钢筋混凝
26、土柱进行横向包裹。由于碳纤维布的抗拉强度和弹性模量都很高,对混凝土的约束作用明显,提高了混凝土的极限压应变,推迟了受压区混凝土被压碎的时间,从而可充分发挥纵筋的塑性变形性能,改善了钢筋混凝土短柱的延性。4 结论大力推广高强钢筋高强混凝土结构在土木工程中的应用是提高我国建设水平的重要方向， 高强箍筋约束高强混凝土柱抗震性能的研究打破了高轴压及高强混凝土柱在震区使用的禁区。目前我国在这方面的研究基础较为薄弱， 大大限制了高强混凝土结构在我国的使用， 本文力图对国内外所进行的高强箍筋约束高强混凝土抗震性能的研究成果进行较为全面的介绍，主要获得如下认识：（1） 由于高强混凝土的应力应变关系曲线同普通强
27、度混凝土不同， 国内外应用较为广泛的钢筋混凝土柱矩形应力图及抗剪承载力计算公式在计算高强混凝土柱时结果可能不安全或过于保守， 对其应进行修正， 使其能够适用于高强箍筋约束高强混凝土柱的抗弯、抗剪承载力计算。（2） ACI 318 及NZS 3101 规范为保证钢筋混凝土柱延性而规定的最低约束箍筋用量计算公式， 无法保证高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震安全， 甚至根本不适用于高强箍筋约束的高强混凝土柱， 应针对其特点进行专门研究。（3） 即使在轴压比大于0.6 的较高轴压下， 高强箍筋对高强混凝土柱仍能够提供有效约束， 充分保证了高强混凝土柱的延性和耗能能力。（4） 对于轴压较低的高强混凝土柱，
28、因其延性抗震性能易于保证， 不建议使用强度过高的约束箍筋，同时， 对箍筋最小间距进行规定从而保证反复荷载下纵筋不过早屈曲， 对提高高强混凝土柱的延性具有重要意义。参考文献1 陈肇元. 高强与高性能混凝土的发展及应用J. 土木工程学报，1997，:2 徐有邻. 我国混凝土结构用钢筋的现状及发展J. 土木工程学报，1999，3 青山博之. 现代高层钢筋混凝土结构设计M. 张川，译. 重庆: 重庆大学出版社，2006 4 王浩，张惠英. LL550 冷轧带肋箍筋高强混凝土柱抗震性能的试验研究J. 建筑结构，20025 李蓬. 冷轧带肋箍筋高强混凝土压弯构件抗震性能的试验研究D. 北京: 清华大学，2
29、000箍率的试验研究J. 建筑结构，19996 GB50011 - 2001,建筑抗震设计规范 S. 中国建筑出版社, 2001.7 JGJ3 - 2002,高层建筑混凝土结构技术规程 S. 中国建筑工业出版社, 2002.8 肖建庄,姚峻. 钢筋混凝土极短柱抗剪承载力分析 J . 特种结构, 2002, 9 李忠献,袁文章,郝永昶,等. 工业与民用钢筋混凝土建筑中的短柱问题与分体柱技术 J . 工业建筑, 2003, 10 曹万林,黄选明,崔建升,等. 带交叉筋十字形短柱抗震性能试验研究 J . 地震工程与工程振动, 200311 牟星之. 型钢混凝土短柱抗震性能的试验研究 J . 西安冶金建筑学院学报, 1991,
