铁路混凝土桥梁抗震试验研究现状

2.4.2.1　国外研究现状

自上世纪70年代起，美国和日本经历了几次破坏性地震，率先对钢筋混凝土桥墩的抗震能力进行了大量的试验研究，并取得了公认的研究成果，开启了试验研究的先河。由于实体墩和空心墩的结构特点、受力过程和破坏机理存在较大的差异，根据“先易后难”“先实后空”的原则，国内外进行研究的时候，是从混凝土实体墩开始的。

1.桥墩抗剪性能

在1968年十胜近海地震发生后，日本建筑中心在1972—1976年间对钢筋混凝土桥墩的抗震性能进行了综合研究。其制作了12个轴压比在0～0.5之间，配箍率在0.33%～1.47%之间的试件，目的为研究钢筋混凝土桥墩在地震作用下抗剪能力的衰减情况。通过拟静力试验，得到如下结论：当受压区混凝土出现裂缝后，钢筋混凝土桥墩的抗剪机理将发生明显的变化，剪力开始由受压区混凝土向箍筋转移；如果配置的箍筋不足以约束核心混凝土并承担全部剪力，在循环荷载作用下，钢筋混凝土桥墩进入非弹性变形后的强度和刚度都会产生明显的下降；在循环荷载作用下，桥墩的强度和刚度的衰减速度因为轴压力的存在而减慢。

美国应用技术委员会（ATC）在“抗震设计”（1981）中，根据在地震作用下钢筋混凝土桥墩破坏时抗剪能力和抗弯强度之间的关系提出了抗剪能力概念的模型（ATC-6）：当桥墩抗弯强度对应的剪力小于残余抗剪能力时，发生弯曲破坏；当抗弯强度对应的剪力大于初始抗剪能力时，发生剪切破坏；当抗弯强度对应的剪力在初始抗剪能力与残余抗剪能力之间时，发生弯剪破坏。

20世纪80—90年代，各国学者对不同墩型的不同指标，如剪跨比、轴压比、配箍率、配箍形式和节点的约束效应等因素的桥墩进行试验，开展对桥墩的变形能力、破坏模式、不同延性对桥墩抗剪性能的影响等方面的研究，得到了许多宝贵的结论、规律和一些计算公式。这些成果大大促进了各国桥梁工程抗震的发展，也为中国桥梁工程界带来了启迪。随着计算手段的更新和对地震规律、致害机理的不断认识，21世纪以来，陆续有很多学者在倒塌模式、变形能力、弯剪耦合、空心墩的局部响应和滞回耗能等方面进行了更多的研究。这期间，世界各国的规范逐渐成形，并具有了自己的风格。各国规范均给出了桥墩抗剪强度计算公式以及相关规定，但由于抗剪性能影响因素较多且问题复杂，各公式之间的差异较为明显，相关研究成果形成了强大的试验共享数据库，方便后续研究者引用及查阅，其中最有名的是日本Kawashima桥墩性能数据库及美国PEER（太平洋地震工程研究中心，Pacific Earthquake Engineering Research Center）桥墩性能数据库。

太平洋地震工程研究中心是美国加州大学伯克利分校的科研机构，在美国国家自然科学基金（National Science Foundation，简称NSF）的资助下，研究人员从1993年开始，收集了大量的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验数据，并整理成专门的PEER结构性能数据库，供各国学者研究之用。PEER数据库共收录了274个矩形试件和160个圆形试件的试验结果，如表2.4-1所示。数据库提供试件的截面高度、剪跨比、轴压比、配筋率、配箍率等设计细节，加载制度，力-位移滞回曲线，不同破坏状态下的加载数据，关键图片记录以及评论，参考资料等许多较为详尽的信息。相关试验数据可通过PEER网站（http：//nisee.berkeley.edu/spd/）获取。

表2.4-1　PEER桥墩参数统计

国内外文献可见的有限个矩形空心墩抗震试验数据，研究参数涉及配筋率、配箍率、轴压比、剪跨比和薄壁宽厚比等。总体而言，当前关于高墩抗剪性能的研究较少，空心墩的研究仍需加强。

2.桥墩延性

钢筋混凝土桥墩延性的试验研究，可以追溯到上世纪70年代末至80年代初Canterbury大学开展的矩形和圆形截面空心桥墩抗震拟静力试验研究及理论分析工作。之后，不同的学者通过桥墩模型拟静力试验，考察了多种参数对钢筋混凝土柱延性的影响，测试了力-位移、弯矩-曲率曲线以及纵向钢筋、横向钢筋应变，并对其延性需求、等效塑性铰长度、混凝土剥落及最大压应变、约束混凝土应力-应变关系等进行了分析、评估。

著名学者Mander针对钢筋混凝土桥墩进行了大量的拟静力试验研究，提出了钢筋、无约束混凝土及约束混凝土的骨架及滞回本构模型。他在此基础上，开发了钢筋混凝土桥墩侧向力-位移行为及延性能力的预测理论模型；考察了轴向力和约束箍筋量对塑性铰转动能力的影响；同时还研究了不同横向配筋空心墩。

Ranzo等在美国加州大学圣地亚哥分校进行了5个圆形薄壁空心墩的抗震拟静力试验。试验结果同样表明，内侧混凝土的压碎破坏仍是影响圆形截面空心墩抗震能力的主要因素，同时强调了纵筋配筋率过高对空心墩抗震能力的不利作用。

由于先前对于矩形空心截面墩的静力试验研究结果都是在轴向力和单轴弯曲作用下获得的，2006年，Maria等基于Taylor所做的工作，利用强度比（空心墩的实际强度与截面的名义轴压强度之比）揭示了空心墩截面宽度与壁厚之比对空心墩局部屈曲的影响，假定应变沿截面线性变化并计算了在轴压和单向受弯作用下试件的名义强度。对5个矩形空心墩在双向弯曲作用下的受力性能进行了分析，并为双轴弯曲的矩形空心墩设计提供了一个保守的估计方法，所提出的经验公式被美国州公路及交通行政联合会（AASHTO）所采纳。

Ogata等通过15个矩形空心墩的拟静力试验研究了拉筋的重要性，建议拉筋两侧的弯钩长度均应为12倍钢筋直径，且在空心墩外侧和内侧分别弯成180°和90°弯钩。1995年，新保弘等日本学者对内、外层箍筋之间布有拉筋的矩形空心墩进行了研究，发现拉筋可有效地抑制纵筋屈曲，从而提高矩形空心墩在较高轴压比情况下的位移延性能力。

欧洲学者Pinto等研究了以旧规范设计的空心墩抗震性能评价、空心墩抗震数值分析方法、设计新理论和抗震加固措施等。

意大利学者Calvi等通过拟静力试验手段研究了按旧规范设计的空心墩的抗震能力。进行了理论和试验研究，试验参数包括约束钢筋、抗剪钢筋、钢筋搭接长度以及空心墩变截面等。试件的典型抗震缺陷包括箍筋用量严重不足、纵筋的不合理截断以及纵筋搭接等。试验结果再次表明了空心墩的抗剪薄弱性。

Delgado等进行了4个剪跨比均为3.3的矩形空心墩抗震拟静力试验，试验结果表明，空心墩以弯剪或剪切破坏为主。其后，他们又按照欧洲Eurocode 8规范设计了1个矩形空心墩试件，拟静力试验结果表明，尽管试件最终仍发生了剪切破坏，但相对于未经抗震设计的空心墩，试件的强度和变形能力得到了很大的提高。在数值分析方面，Faira等采用考虑混凝土受拉和受压退化的双标量损伤变量模型和描述纵筋低周反复效应的Menegotto-Pinto模型，对Pinto等研究过的4个矩形空心墩进行了详细的建模分析，对弯曲变形起控制作用的高墩和剪切影响较大的矮墩的抗震性能进行了成功的模拟分析。

斯洛文尼亚学者Isaković等以欧洲中部20世纪70年代建造的空心墩为原型，设计了2个空心墩的抗震拟静力试验，分别为矮墩模型和高墩模型。桥墩的抗震缺陷包括塑性铰区纵筋的搭接、纵筋配置于箍筋外侧且配箍不足、纵筋及箍筋均为光圆钢筋等。试验结果表明，尽管桥墩含有较多的抗震缺陷，但由于轴压比较低（约0.07），2个空心墩试件均表现出了不错的抗震能力，矮墩发生弯剪破坏，高墩发生了延性弯曲破坏。

空心墩的破坏形式主要包含弯曲破坏、剪切破坏以及弯剪破坏。目前针对国外空心墩的部分试验研究，主要截面形式及破坏情况见表2.4-2。

2.4.2.2　国内研究现状

我国在抗震试验研究领域的研究，相对滞后，近30年来，尤其是近十几年来，逐渐加强了对钢筋混凝土桥墩抗震性能的研究，并取得了一系列研究成果，提出了许多改善桥梁抗剪性能的方法。

表2.4-2　试验空心墩破坏形式汇总

(www.xing528.com)

在早期的研究中，以朱伯龙和沈聚敏等为代表的我国科研人员对钢筋混凝土压弯构件的回复力模型及延性能力进行了大量的试验研究，为我国钢筋混凝土桥墩的抗震性能研究奠定了良好基础。

1985年翁义军等人针对配箍形式对桥墩延性的影响，进行了14个配有复合箍筋的钢筋混凝土桥墩的拟静力试验。结果表明，配有复合箍筋的桥墩具有更好的延性性能，特别是配有螺旋箍筋和井式箍筋的桥墩，其延性性能尤为优秀。除此之外，还给出了计算塑性铰长度的经验公式。

1989年我国抗剪强度专题研究组开展了86根矩形和方形的框架柱的拟静力试验。试件的纵筋率为0.61%～2.5%，配箍率为0～1.47%，轴压比为0～1.62，剪跨比为1～3。研究表明，在反复荷载作用下，低周疲劳将会引起框架柱抗剪能力的下降。对于不同的破坏形式，其下降速度不同。在加载过程中，“X”形斜裂缝的产生改变了柱的抗剪机理，使混凝土提供的抗剪强度逐渐下降，提高配箍率及改变配箍形式可以使桥墩的抗剪强度下降速度有所改善。同时还提出了在低周反复荷载作用下框架柱的抗剪能力计算公式。

针对国内的低配筋率桥墩，阎贵平通过5根不同纵筋率及不同截面形式的桥墩试件进行了已建桥梁的抗震特性试验研究。研究表明，所有试件的破坏形式均呈现为典型的脆性破坏，混凝土压溃、纵筋屈曲外鼓，因此，该试验说明国内的低配筋率桥墩缺乏延性能力，其配置的箍筋对核心混凝土的约束作用严重不足。

对于高速铁路中低配筋率的圆端形桥墩，鞠彦忠等对其延性性能开展了试验研究，研究了配箍率、纵筋率和剪跨比等因素对桥墩抗震性能的影响。结果显示，当纵筋率低于0.2%时，桥墩发生脆性破坏，其延性耗能能力较差。除此之外，该研究发现对于低配筋率桥墩，提高其配箍率并不能有效改善其延性性能。

对于反复荷载下的钢筋混凝土框架柱的滞回性能，管品武等进行了大量的研究。研究发现，与在静力荷载作用下相比，桥墩在反复荷载作用下的抗剪机理发生了改变，反复荷载作用下产生的交叉裂缝大大减小了混凝土的抗剪面积，从而混凝土的抗剪能力被不断削弱，而箍筋提供的抗剪能力所占比重越来越大，并且随着延性能力的增大，试件的抗剪强度下降越来越快。除此之外，该研究还提出了框架柱的抗剪强度计算公式。

针对铁路桥梁中普遍采用的重力式桥墩，刘庆华等开展了5根不同剪跨比的桥墩试件的试验研究。试件没有施加轴压，纵筋率均为0.4%，试验中发现剪跨比（2.9）较小桥墩的延性能力能达到5.85，因此在低轴压比下，配箍充分的低矮墩也能达到较高的位移延性水平。

王辉家等进行了10根纵筋率为1.6%、配箍率为0.34%～0.81%、边长为140 mm的方形钢筋混凝土短柱的试验研究。通过结果发现：对于小剪跨比的试件，当轴压比较小时将发生斜拉破坏，轴压比较大时发生剪压破坏，并且桥墩的抗剪能力随着轴压比的增加先上升后下降。该研究还指出，对于短柱，纵筋的有利影响不应该忽略。该学者通过试验数据还提出了在往复荷载作用下的桥墩抗剪能力计算公式。

刘柏权等制作了8根完全相同的钢筋混凝土柱，并在不同的轴压力下进行等幅对称循环位移加载试验。研究发现，在地震作用下，当加载位移超过屈服位移之后，每次加载位移对桥墩的损伤累积控制着延性桥墩的破坏，当某部位的损伤累积到一定程度时，就在该处发生破坏。

叶献国等在2005年针对配箍率这一影响因素对12根矩形钢筋混凝土桥墩进行了低周往复荷载试验。结果表明，随着配箍率的增加，极限位移将会增加，构件刚度下降速度变缓，裂缝开展变得越来越密集，与桥墩轴向夹角将会变大，残余变形更加稳定，滞回环更加饱满。

孙卓等在2006年针对铁路桥梁中使用量最大、应用最广泛的独柱式桥墩，通过24根大比例的桥墩模型的拟静力试验，研究了其延性抗震性能。通过对试验现象及数据的分析，研究了这类桥墩的力-位移关系、滞回模式的变化规律；比较分析了配筋率、配箍率、箍筋布置形式、剪跨比等结构参量对试验模型的耗能特性和包络曲线特性的影响。

李贵乾在2010年采用正交化参数设计开展了9个不同纵筋率、不同剪跨比、不同配箍率、不同轴压比的圆形钢筋混凝土桥墩拟静力试验，提出了改进的等效刚度计算公式和改进的塑性铰长度计算公式，并基于OpenSees建立了数值仿真模型。王东升等在2011年开展了12根钢筋混凝土短柱的拟静力试验研究。研究发现，在满足中国现行桥梁抗震设计规范最低配箍要求的情况下，桥墩在塑性铰区发生剪切破坏的可能性仍很大，同时基于试验数据，对既有的钢筋混凝土桥墩抗剪强度公式进行了分析评价，建立了模拟钢筋混凝土桥墩滞回性能的有限元模型，并且对基于延性抗震设计的钢筋混凝土桥墩的抗震性能进行了综合评价。

针对我国铁路桥梁抗震设计规范中的不足之处，顾正伟在2013年开展了16个钢筋混凝土桥墩试件的低周往复荷载试验。该研究提出了位移延性系数划分标准，针对我国《铁路工程抗震设计规范》中延性设计概念不清的问题提出了弹性抗震设计和延性抗震设计的分类标准。除此之外，还提出了地震荷载作用下桥墩的抗剪验算方法，为我国铁路钢筋混凝土桥墩抗震设计提供了许多改进建议。

虽然近年来我国钢筋混凝土桥墩的抗震性能研究成果很多，但是关于桥墩塑性铰区的抗剪性能的研究还比较薄弱，我国现行的《铁路工程抗震设计规范》中还没有对桥墩延性阶段进行抗剪验算的相关规定。而《公路桥梁抗震设计细则》则是借鉴《美国加州抗震设计准则》的抗剪强度计算公式，并对其进行了简化，使其不再考虑桥墩塑性区混凝土抗剪强度随延性增加而降低的现象。《城市桥梁抗震设计规范》则采用美国AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design中的抗剪强度计算公式进行桥墩抗剪设计。后两者虽然给出了公式，但是对其适用性缺乏合理的评价。因此，对于桥墩塑性铰区的抗剪性能有待于进一步研究。

我国台湾学者针对台湾高速铁路特点进行了空心桥墩抗震拟静力试验，并获取了大量数据；我国大陆多位学者完成了有限个矩形空心墩抗震试验研究。

我国台湾高速铁路桥梁中，使用了大量的空心桥墩，且这些桥墩不同于以往常用的空心墩类型。考虑到台湾的高地震风险，为充分保证高速铁路抗震安全，台湾学者对空心墩的抗震性能进行了一系列的研究工作，内容涉及空心截面桥墩中混凝土的受压本构模型，小比例尺及足尺空心桥墩的抗弯、抗剪能力，延性和耗能特征，空心桥墩的抗震加固及震后修复技术，以及空心桥墩抗震数值分析模型等。还分别针对高强和普通强度混凝土、方形和圆形截面、足尺和缩尺试件进行了大量拟静力试验研究工作。

为了考虑尺寸效应的影响，以便更好地反映实际桥墩的抗震性能，2001年Yeh等人基于台湾岛内实际工程中圆形墩的构造，以横向钢筋的数量为主要参数对3个足尺圆形空心墩进行了拟静力试验。

2002年Yeh等人对6个矩形空心墩进行了拟静力试验，并对4个模型试件和2个原型墩进行了对比。试验发现当原型和模型试件的配筋满足ACI规范时，能获得很好的抗震性能，但是原型墩的延性系数相对来讲要高。对各试件的滞回曲线及骨架曲线进行了比较分析，并对试验数据与分析结果进行对比。

2002年，Mo等人对3个全尺寸矩形空心墩试件进行了拟静力试验，研究了实际桥墩抗弯延性、耗能性能以及抗剪强度等抗震性能。同年，他们利用拟静力试验对6个70 MPa高强混凝土空心矩形墩进行了抗震性能研究，试验参数包括剪跨比、箍筋数量以及轴压比。利用ACI、AASHTO、UCSD、USC、UCB、CALTRANS等模型得出了理论值与试验结果进行了对比。

北京交通大学是我国最早开展铁路空心桥墩抗震拟静力试验研究的单位之一，针对铁路桥墩的空心圆端形截面和低配筋率（包括纵筋和箍筋）的特点，设计了5个空心圆端形桥墩的拟静力试验，重点讨论了纵筋配筋率、箍筋的布置及壁厚等参数对空心墩抗震能力的影响。研究发现，配筋率严重偏低（0.23%）的空心墩试件表现出明显的脆性，提高纵筋配筋率时试件的强度和耗能能力有效提高，且减小壁厚会降低空心墩的变形和耗能能力。空心桥墩的横向钢筋在纵筋配筋率不高的情况下，对核心混凝土的约束能力很有限，其主要作用是防止纵筋的过早屈曲；减小壁厚对承载力的影响很小，但会降低截面的极限曲率，从而降低了桥墩的变形能力。东南大学、中南大学、兰州交通大学、西南交通大学等单位的学者也先后开展相关方面的研究。

目前针对国内空心墩的试验研究，主要截面形式及破坏情况见表2.4-3。

表2.4-3　试验空心墩破坏形式汇总