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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40~112MPa、箍筋屈服强度在400~1569MPa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：①增大结构强度和刚度；②更易于实现“强柱弱梁”的设计思想；③由于高强混凝土早期强度较高，加快了施工进度；④减少了对钢筋锚固长度要求；⑤减少截面尺寸，增加下部净空；⑥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113.9MPa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100MPa以上的混凝土已屡见不鲜。日本建设省在1988~1993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30~120MPa的混凝土，以及屈服强度在400~1200MPa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550~750MPa；而沈阳建筑大学阎石教授主要采用屈服强度为1300MPa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400MPa以上的高强钢筋配箍，我国台湾学者在近期关于空心截面桥墩抗震性能的研究中，使用的箍筋强度也多在400MPa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40MPa、箍筋屈服强度大于400MPa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果（混凝土圆柱体抗压强度范围为40~112MPa，箍筋屈服强度范围为400~1569MPa），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》（GB50010—2002）、美国ACI318—05规范以及新西兰规范NZS3101—1995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，主要有两个参数α1和β1，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》（GB50010—2002）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α1，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；参数β1为矩形应力图高度与混凝土受压区