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橋梁節點部位的抗震解析

發布時間：2014-08-05

基于震害現象和有關實驗與理論研究，結合能力抗震設計的思想，按照我國公路橋梁的特點，探討影響極限強的因素，并提出抗震設計的方法，具有重要的論意義和工程應用價值。

　　　　
　　
　　在橋梁結構中，節點構造形式與房屋框架結構中的節點相差較大，而且橋梁結構在橫向地震作用下主要依靠墩柱的延性發生變形，而不是依靠蓋梁的延性，因而不能套用房屋框架結構節點抗震設計。但是毫無疑問的是，橋梁節點部位屬于能力保護構件，在地震作用下需要保持較高的強度和剛度。本文結合我國公路橋梁的特點，對影響極限強的因素做出了探討，具有重要的論意義和工程應用價值。
　　
　　一、我國橋梁節點受力特點
　　
　　點的受力機理受到多種因素的影響，包括:混凝土強度，鋼筋屈服強度，核心區內箍筋的構造以及梁柱主筋的錨固狀況等。在正常配筋的情況下，節點核心的受力過程，一般經歷以下四個階段:
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　　當加載使核心區出現第一條斜裂縫時，稱為核心區初裂階段。此時箍筋應力水平很低，節點可認為處于彈性工作階段，節點剪力主要由混凝土承擔。
　　（二）通裂
　　初裂后繼續增加荷載，節點核心區中部陸續出現第二條、第三條斜裂縫，將核心區分割成若干小塊，然后逐漸形成貫通節點核心對角線的主斜裂縫。通裂時節點內箍筋應力很快增加至屈服應力，節點進入彈塑性階段，剛度明顯降低。試驗顯示，通裂時的承載能力約為極限承載能力的80%左右。
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　　通裂后外荷載還可以繼續增加，核心區裂縫寬度越來越寬，結構變形明顯加大，核心區剪切變形成倍增長�；炷帘Ｗo層開始起殼、剝落。此時承載能力達到最大值，稱為極限階段。極限時節點內箍筋幾乎全部屈服。
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　　雖然變形持續加大，但是節點承載能力開始降低，核心區混凝土大塊剝落。破損時節點的承載能力約為極限時的80%一90%。
　　
　　二、加強節點強度
　　
　　在地震作用下，希望塑性鉸出現在梁端，這樣就不會引起高層結構太大的側向變形，避免了倒塌的后果。但是在橋梁結構中，如果梁端出現較大的轉角，就會引起橋面系極大的破壞，甚至使橋梁結構完全喪失使用功能，這是人們所不愿看到的。因此在橋梁抗震設計中，一般選擇塑性鉸出現在橋墩中。由于橋梁結構都是單層或者雙層，即使墩柱中出現塑性鉸，在設計預期的地震作用下，只要墩柱的延性能力滿足塑性鉸轉角的需求，都不會引起倒塌的后果。對于橋梁節點部位的抗震要求，則與建筑抗震規范一致。節點是連接橋墩和蓋梁的傳力構件，是保證整個結構良好工作的關鍵部位，屬于能力保護構件，因此對其強度和剛度要求都較高。

　�。ㄒ唬┰谟蓸蚨蘸蜕w梁組成的框架結構中，在橫向地震作用下，塑性鉸可能出現在墩底截面，墩頂截面，節點，梁端截面。根據能力抗震設計思想，蓋梁的極限強度一般要比橋墩截面大，如果蓋梁中配有預應力筋，其極限強度會更大，因而一般不會稱為結構的薄弱環節。在橫向作用力增大的過程中，墩底截面彎矩最大，首先進入屈服狀態。在墩底截面出現塑性鉸以后，截面上的彎矩會保持平穩狀態不再增長，而墩頂截面的彎矩會隨框架變形的增加而持續增大，節點核心區域內的箍筋應力也會隨之增加直至屈服。此時，節點區域的剛度出現退化，會削弱對墩頂截面的約束，甚至形成鉸接約束，從而引起結構中的內力重分布，使結構側向變形加速變大，對結構橫向抗震性能是很不利的。節點核心區的箍筋如果在墩底截面的塑性鉸出現以前就進入屈服，會削弱對墩頂截面的約束，甚至形成鉸接約束，從而引起結構中的內力重分布，墩頂截面彎矩減小，墩底截面彎矩增大，使得墩底更快進入屈服狀態，從而降低框架結構的橫向抗震性能。
　�。ǘ┰诓煌目v筋配筋率下，墩底截面總是首先進入屈服狀態，梁端截面基本不屈服，在配筋率小于3%時，墩頂截面也會達到屈服，當配筋率超過3%時，墩頂截面并未達到屈服狀態。這說明在不同的配筋率下，節點部位并不是保持相同的剛度。當節點部位出現剛度軟化以后，對墩頂截面的約束減弱，從而導致墩頂截面彎矩減小。
　　（三）節點區域的配箍率對結構的橫向抗推極限承載能力影響并不大，這是因為計算中假定梁柱中延伸入節點區域的主筋和混凝土粘結良好，核心區混凝土所承受的剪力都能完全傳遞到主筋中去。這樣梁柱的主筋就承擔了節點核心區中的剪力，因而箍筋的作用體現不明顯。事實上在混凝土開裂以后，隨著裂縫的發展，主筋與混凝土之間的粘結惡化導致滑移的產生，混凝土中的剪力就不能完全傳遞到主筋，此時就需要依靠節點中的箍筋承擔抗剪作用。如果箍筋配置過少，節點就無法將上部結構的慣性力傳遞到橋墩中去，節點核心區出現脆性剪切破壞，對結構抗震非常不利。節點核心區內的豎向箍筋始終應力很大，其主要原因，是因為靠近節點外側承托附近的豎向箍筋，為了要平衡小斜壓桿中的壓力，內力很大，很容易就達到屈服，在設計中需要給予重視。節點核心區中配置適量的箍筋，除了能起到約束混凝土，提高混凝土強度的作用以外，在混凝土開裂后能箍筋直接參與受力，是保證節點裂縫不會充分開展，剛度不出現急劇退化的有效措施。
　　綜上所述，在橋梁結構中，如果橋墩和蓋梁剛度比較接近，則在地震作用下，結構受到側向賡性力作用，節點核心區箍筋受力很大，容易出現節點剛度退化。一方面會導致節點核心區混凝土剪切破壞，另一方面又會導致橋墩內力重分布，墩底截面彎矩加大，更快達到屈服狀態，降低橋梁結構橫橋向整體的抗震能力。而在蓋梁和橋墩抗彎剛度相差較大時，在地震橫橋向作用下，墩底和墩頂部位的塑性鉸更容易形成，節點部位相對更加安全，符合能力抗震設計思想。
　　
　　三、結語
　　
　　在由橋墩和蓋梁組成的框架結構中，在橫向地震作用下，塑性鉸可能出現在墩底截面、墩頂截面、節點和梁端截面。蓋梁的極限強度一般要比橋墩截面大，如果蓋梁中配有預應力筋，其極限強度會更大，因而一般不會成為結構的薄弱環節。在橫向作用力增大的過程中，墩底截面彎矩最大，首先進入屈服狀態。在墩底截面出現塑性鉸以后，截面上的彎矩會保持平穩狀態不再增長，而墩頂截面的彎矩會隨框架變形的增加而持續增大，節點核心區域內的箍筋應力也會隨之增加直至屈服。此時，節點區域的剛度出現退化，會削弱對墩頂截面的約束，甚至形成鉸接約束，從而引起結構中的內力重分布，使結構側向變形加速變大，對結構橫向抗震是很不利的，這些都是在實際施工中應該注意的地方。
　　
　　參考文獻：
　　[1]俞琦、陳語、王家林，橋梁抗震分析方法[J].重慶交通學院學報， 2006， 25（Supp）: 32-34.
　　[2]席張群，橋梁抗震分析方法對比研究[J].中國水運， 2007， 7（5）: 95-96.
　　[3]喬東華、王磊，橋梁結構抗震分析方法研究[J].山西科技， 2007，（1）: 151-153.

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