钢筋混凝土箱型墩柱破坏模式分析

钢筋混凝土箱型墩柱破坏模式分析

【摘要】箱型墩柱相比实心墩柱具有节材、自重轻且具有较好的空间整体受力性能，因此大型桥梁高墩常常采用箱型墩柱。桥墩作为桥梁的支撑结构和主要的抗侧力构件，容易受到地震灾害的破坏造成桥梁坍塌。文章通过对震灾桥墩及相关试验研究箱型墩柱的破坏情况进行分析研究，系统的阐述了箱型墩柱的破坏模式，以期为相关领域的研究和墩身加固措施提供一定的参考。

【关键词】桥梁；箱型墩柱；破坏模式

引言

随着我国交通建设的发展，尤其是西部山区铁路、公路的兴建，大量的桥梁被建设用于跨越河谷深沟。由于地形复杂、山高坡陡，桥梁下部采用的桥墩往往高差悬殊，即使在同一座桥梁中，墩高也会差异很大。在已建成及正在设计规划中的高等级公路中，墩高超过40m的高墩桥梁占桥梁总数的40%以上。当墩高较小时，一般采用实心的圆柱墩或矩形墩，但是当墩高较高超过40m时，通常采用空心薄壁墩，墩的截面形式主要为圆端型空心墩和矩形空心墩（也称为“箱型墩”）[1]，其中，箱型墩柱由于其截面形式简洁便于施工，且具有很好的空间受力形式，因而在我国大型桥梁中应用非

常广泛。

我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一，发生的地震具有强度高、持续时间长、发生频率高、破坏性强等特点。作为主要的交通生命线工程，桥梁结构的震害不仅会直接带来严重的经济损失和人员伤亡，而且交通大动脉的中断会严重影响震后救援工作的及时开展。因此，桥梁结构抗震问题的研究一直是土木工程中的热点问题，桥墩的抗震性能和破坏模式的研究就显得尤为重要，对其进行研究从而采取相应措施提高桥梁的抗震能力非常必要。

一、箱型墩柱结构特点

传统的空心薄壁式高墩一般包括实体过渡段、标准段和横隔板。受到泊松效应影响，空心薄壁高墩在较大压应力作用下，墩壁有局部外凸的趋势，横隔板的存在可以限制墩壁的横向变形，从而推迟局部稳定破坏的发生。但是研究表明等截面高墩的局部失稳多发生在靠近墩底的位置，局部稳定问题并不突出，因此横隔板的设置实际意义并不大。另一方面带有横隔板的空心桥墩施工较为复杂，每到横隔板位置处都需要拆装模板，造成施工的中断，极大的影响了施工速度。因而，目前大部分薄壁空性桥墩不在设置横隔板。

箱型墩柱与实心墩柱相比具有许多优势，首先与相同截面尺寸的实心墩柱相比箱型墩柱能节省材料40%左右，在大幅减少圬工量的同时还能减轻结构自重，进而也减轻了基础

和承台的承载压力。另一方面，箱型的截面形式对于大体积混凝土水化热问题的解决也大有裨益。但是，箱型截面构件的受力相对较为复杂[2]，由于空心截面形式造成桥墩成为典型的“强弯弱剪”构件并且这种截面形式也使得箍筋难以发挥核心混凝土的约束效应，不利于桥墩塑性铰的形成、发展和延性抗震设计理念的实现。

二、箱型墩柱相关研究方法

在我国地震灾害频发，在地震作用下，桥梁容易遭受到不同程度上的破坏。与上部结构相比，桥墩作为桥梁的主要抗侧力构件更容易受到地震的破坏，墩柱的失效也常常是桥梁倒塌的主要原因，这已在过去的多次的破坏性地震中得到证实，其抗震问题的研究也是桥梁抗震研究的重点[3]。从历次地震中箱型桥墩破坏情况来看，主要呈现为弯剪破坏，严重的发生倾斜甚至倒塌，进而造成桥梁上部结构的塌跨、倾覆。例如，2008年汶川地震中位于映秀镇的百花大桥，桥墩抗弯能力不足墩底混凝土的压溃损坏[4]。

国内外研究人员针对箱型桥墩进行了一系列的研究，试验研究方法主要采用的拟静力试验，即在箱型墩柱的?S向施加恒定轴向压力，水平方向对结构施加往复循环荷载，模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。通过拟静力试验可以获得结构和构件的强度、刚度、滞回性能等一系列的指标和参数及箱型墩柱的破坏形式。试验主要分为单向

拟静力试验研究和双向拟静力试验研究。单向拟静力试验多是在箱型墩柱顺桥向或横桥向中的一侧加载低周往复荷载，除了正向加载外，湖南大学相关研究人员还进行了斜向水平加载的试验[5]。实际上地震过程中无论是地面运动还是结构的地震反应都是多维度的，因此研究人员也进行了一些多维加载试验，其中主要是双向拟静力试验，试验结果表明在双向加载条件下，箱型墩柱的抗震性能要明显低于单向加载的箱型墩柱。

三、箱型墩柱破坏过程

试验中随着轴压比、配箍率、配筋率、高宽比，剪跨比、空心墩壁厚等因素的变化，箱型墩柱抗震性能产生了明显的改变，如：高轴压比在延缓裂缝出现的同时，降低了延性抗震能力试件塑性铰区域破坏严重；配箍率的较高时，试件的耗能能力和延性也相对较高。但无论单向拟静力试验还是双向拟静力试验中箱型墩柱大都呈现为弯剪破坏，即使是弯曲破坏的箱型墩柱，在变形较小的时候，也会出现剪切裂缝。

其破坏的过程大致如下：破坏初期，主要在箱型墩柱下部受拉区域产生水平弯曲裂缝，裂缝分布在箱型墩柱水平加载一侧靠近墩底的位置，并且裂缝大多对应箍筋部位；随着加载的进行箱型墩柱水平裂缝逐渐上移，产生更多新的裂缝，原有裂缝持续发展、加宽、贯通，同时裂缝由加载面通过棱角向侧面延伸，延伸到空心处时向斜向发展，形成剪切

斜裂缝，反复的推拉过程中，侧面裂缝发展成漏斗状；当到达极限荷载时，加载面墩身下部形成塑性铰区域，原有水平裂缝产生出分叉裂缝，且在空心部位箍筋间距处出现竖向裂缝，此后，裂缝发展交错，形成网状裂缝，混凝土开始少量剥离；最终墩柱下部破坏区域混凝土压溃，保护层大量剥落，钢筋外露，纵向钢筋发生弯曲甚至发生突然的失稳破坏。

四、结束语

桥墩的抗震能力关系到桥梁安全与震后交通系统的畅通，箱型墩柱在地震作用下易发生弯曲破坏，同时剪切作用也不可忽视。其破坏过程伴随裂缝产生、混凝土压溃、钢筋屈曲等现象，严重危害桥墩安全。一般情况下箱型桥墩抗震的薄弱环节出现在墩底，通常首先在箱型墩柱的下部受拉区出现水平裂缝，当裂缝延伸至空心区域后发展成剪切斜裂缝，在循环荷载作用下，斜裂缝互相交织成网状。裂缝的产生和发展最终导致墩柱破坏甚至失稳，失去原有功能。此外，许多桥梁处于易腐蚀的环境中，产生的裂缝将严重影响桥梁的耐久性。因此，在采取措施增加箱型墩柱抗弯抗剪承载能力的同时也应该采取适当措施区限制裂缝的产生和扩展。

参考文献：

[1] 孙治国. 钢筋混凝土桥墩抗震变形能力研究[D]. 哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2012.

[2] 夏樟华. 钢筋混凝土箱型墩抗震性能研究[D]. 福