浅析铁路钢筋混凝土重力式桥墩的抗震性能

摘要：在抗震设计时，只有对铁路钢筋混凝土重力式桥墩的抗震性能弄清楚，才能做到对其抗震性能加以改善，本文就此进行探讨。

关键词：钢筋混凝土;重力式桥墩;抗震性能

一、桥梁抗震设计原则及分析方法

（一）桥梁抗震设计原则

当前我国采取的桥梁抗震设计国家标准为《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111-2006），在《规范》中给出了三种标准。第一种标准为：建筑物没发生损坏，或者损坏较轻，处于弹性工作阶段时，可以采用弹性理论对其进行分析。第二种标准为：建筑物也许出现了一定程度的损坏，但是通过修复之后，还可以使用，也就是处于非弹性工作的阶段。第三种标准是：建筑物也许造成严重损坏，但是其结构没有发生坍塌，经过抢修之后，可以通车，也就是处于弹塑性工作阶段。

（二）桥梁地震反应分析方法

1.静力法

该种方法是日本人大房森吉在1899年所提出来的，该种方法在使用时，没有对结构动力效应进行考虑，也就是在地震荷载的作用下，结构的各部分与地震动有着同样的振动，也就是对随着整体的水平进行刚性移动。所以，结构在地震荷载作用下，所发生的惯性力就与地面运动加速度和结构质量的乘积相等，再把惯性力当中为静力作用在结构上，然而再对其采取弹性静力分析。把地震动当做成静力作用在构筑物之上，再对其采取弹性静力分析。地震力大小为：

F = kW

其中，W 为构筑物重量，k 為水平地震系数。

此外，在20世纪60年代末的时候，还有人提出了非线性静力法，该种方法在近几年得到了广泛的推崇。该方法在对构筑物进行预先假设一种花侧向力的作用下，对构筑物内的各种非线性因素加以考虑，并对构筑物受力逐渐递增，一直到结构内产生机构，并在分析时，会得到构筑物的变形曲线及力。

2.反应谱法

结构动力学角度来观察，结构上质点地震反应的加速度是与地面运动加速度有着很大不同的，这种加速度是与结构自振周期及阻尼比有着较大关联。采取动力学的方法，便可以对不同周期中自由度弹性体系质点加度素反应得出，要是将地震动加速度反应当成竖坐标，将体系自振周期当成横坐标，便可以得到地震加速度反应谱，就此在对地震引起构上水平惯性力进行结算，便更为合理，该种方法便是反应谱法。

二、钢筋混凝土重力式桥墩破坏模式的判定

（一）弯曲破坏和剪切破坏的判定

笔者对大量桥梁震害与实验研究研究发现，桥梁上部结构会由于地震动的作用所产生的破坏情况要大大的低于桥墩的破坏所造成的桥梁破坏情况。桥墩在强地震动作用下的破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏两类。由于对于桥墩弯曲型及剪切型破坏来说，其作用模式及机理存在很大不同，因此在抗震设计时，需要关注的问题也不尽一样。对于桥墩弯曲型破坏来说，其是因为塑性铰区延性不足所造成的，因此在设计时，需要在塑性铰区位置上，增加定量的箍筋，做到对其抗震延性的提升;对于桥墩的剪切型破坏来说，其是因为混凝土自身具有的强度不足，因此使得横向钢筋配置不足，进而在地震动作用下，下墩柱抗剪切的能力不够，这种破坏是一种典型的无延性脆性破坏，因此在设计的时候，需要对墩柱核心混凝土进行添加，从而使得能够更多剪切力来抵抗地震力。

（二）弯曲破坏型桥墩的塑性铰介绍

所谓的塑性铰，是表明钢筋混凝土结构构件受力之后，若是在某一截面部位上，钢筋进入塑性变形，则该部位便是“铰”，也成为“塑性铰”。本文应当对桥墩塑性铰区长度及等效塑性铰长度两者进行区分开来。对于塑性铰区长度来说，其代表在实际施工当中，延性桥墩横向钢筋加密段具有的长度;而对于等效塑性铰长度来说，其仅仅是理论上的一种概念。在对国内外桥梁震害做出深入研究与根据拟静力、振动台试验的结果可以得出，对梁式桥在产生弹塑性地震反应分析时，其塑性铰位是处于墩柱底部位置上。

三、重力式桥墩延性抗震研究

（一）延性抗震设计理论

当前，延性抗震设计方法已经被人们广泛接受，很多新规范也已根据该理论完成了修订，与传统强度理论不一样的是，对于延性抗震设计理论来说，其不是利用来对结构抗震性能做出评价，其是利用延性变形来对结构的安全状态实施评价。强震作用下，结构便会产生塑性变形，这时，强度理论难以对结构性能的指标做出衡量，它只能够对脆性结构及不允许发生非弹性反应的构件才能得到应用。由于受到该种限制，因此一些专家研究出了基于位移的延性抗震设计方法，并已经在很大国家中成为了一种实际的设计方法，该方法在应用时，它的设计变量是位移—结构的变形或构件的应变。强地震作用下，桥梁结构大多部位会处于弹塑性变形阶段，和弹性变形进行比较，塑性变形较大，便会使得结构开裂、混凝土脱落及破坏。然而，因为弹塑性阶段中的结构刚度下降，则结构自振周期会增大，结构的地震反应特性也会改变，非弹性的不可恢复变形可以耗散输入的地震能量，从而减小地震对结构的破坏作用;在非线性状态下，结构是否破坏将取决于塑性变形能力或耗散能量的能力，而不取决于强度，强度条件并不能恰当地估价结构的抗震能力。

（二）影响桥墩延性抗震设计的因素

1.桥墩纵向钢筋配筋率

根据研究显示，在一定程度上，对墩柱纵向钢筋配筋率加以提升，可以使结构构件延性得到提升，这是由于钢筋可以对构件抵抗弯矩能力有所提升。

2.桥墩箍筋配筋率

根据前人实验结果可知，桥墩的位移延性将会随配箍率增加而增加，桥墩里配置的箍筋间距越短，则配箍率越大，则产生的结果延性也越来明显。对桥墩配箍率进行提升，也就是对横向钢筋对混凝土横向变形的约束力有所提升，对混凝土抗压强度和混凝土的极限压应变后，墩柱混凝土受压区分布会变得更加的均匀，从而能够使得纵向钢筋无支长度变小，进而能够达成结构构件极限位移值目标。

3.混凝土强度

桥墩混凝土强度在得到提升后，则会使得结构构件轴压比下降，因此能够对桥梁结构位移延性加以提升。然而，在桥墩纵向配筋率相同状况下，若是混凝土标号有所提升，则意味着钢筋在换算截面里占据的比重就有所降低，桥墩纵向钢筋配筋率也会有所下降，从而使得桥墩位移延性发生降低。

4.轴压比

根据前人实验结果可知，结构构件的压轴比，是对压弯构件位移延性有着重要影响的因素。当轴压比较大时，便会使压弯构件里的钢筋亚应变也会增加。所以，对于截面来说，其只有转动到更大的角度上，才会使得受拉区的钢筋达到屈服。并使得屈服位移出现大为增加，最终使得结构构件延性发生大幅度降低。

总结：

由于铁路重力式桥墩在地震中受到破坏所造成桥梁坍塌的情况时有发生，因此造成严重的生命财产损失。所以，对重力式桥墩的抗震性能及破坏模式需要进行研究与分析，并对抗震设计方法进行探究，只有这样，才能体现出重要的理论价值及意义。

参考文献：

[1] 叶见曙主编.结构设计原理[M]. 人民交通出版社， 2005

[2] 张新培编著.钢筋混凝土抗震结构非线性分析[M]. 科学出版社， 2003

[3] 马永欣，郑山锁编著.结构试验[M]. 科学出版社， 2001