1研究背景
我国高速铁路建设正在飞速发展，总里程已超过了 1． 6 万公里，同时我国又是地震最活跃的国家之一，因此高铁桥梁的抗震安全性引起了广大学者与工程师的密切关注。我国四纵四横高速铁路网大多位于高烈度地震区，因而地震作用往往控制高速铁路桥梁下部结构的设计。与西欧国家( 德国、法国等) 以及日本高速铁路的结构形式不同，我国高速铁路广泛采用配筋率低于 0． 5% 的少筋混凝土重力式桥墩 。由于混凝土重力式桥墩墩身横截面尺寸较大，导致结构刚度较大，相应的地震力亦大，同时配筋率又较低，如不进行合理的抗震设计，在强震作用下就较易遭到破坏。
仅要求钢筋混凝土桥墩( 配筋现行的铁路震规率ρ≥0． 5% ) 在罕遇地震下进行延性验算，但对配筋率ρ < 0． 5% 的少筋混凝土桥墩，在罕遇地震下不要求进行验算。对于少筋混凝土桥墩，规范实际上仅进行了多遇地震下的一阶段强度设计，这将导致这种结构的抗震性能与规范提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的多级抗震设防理念不符。关于少筋混凝土桥墩的抗震性能，鞠彦忠等对 10 根低配筋 ( 配筋率为0． 1% ～ 0． 2% ) 缩尺模型桥墩进行了拟静力试验，研究了桥墩的延性能力与配筋率的关系 刘庆华等对配筋率为 0． 4% 的混凝土桥墩进行了抗震性能试验研究 蒋丽忠等通过对圆端形少筋实体墩进行拟静力试验研究，认为纵筋率较低的圆端形实体桥墩的滞回曲线呈显著的捏缩状 。以上研究主要针对某一配筋率范围的少筋混凝土桥墩的耗能能力及变形能力进行，均未涉及罕遇地震作用下少筋混凝土桥墩的验算方法。实际上使用延性概念设计抗震结构时，根据结构延性能力大小可分为完全延性结构、有限延性结构和完全弹性结构 。如何合理利用少筋混凝土的有限延性能力，对抗震设计至关重要。为此，本文首先探讨了少筋混凝土桥墩的抗震性能与纵筋配筋率的关系，然后针对该结构提出了罕遇地震作用下抗震验算指标及验算方法。
2少筋混凝土桥墩抗震性能试验
2． 1 试验模型
为了研究少筋混凝土桥墩的抗震性能与纵筋配筋率之间的关系，采用拟静力模型试验分析铁路重力式桥墩的承载能力、破坏模式、滞回曲线及耗能能力等指标。以高速铁路常用跨度32 m 简支梁桥墩为原型，制作了5 个1 ∶8 比例的缩尺模型，缩尺后模型高度为2．5 m，横截面为64 cm × 45 cm，C30 混凝土，模型桥墩配筋率ρ 分别为0．1%、0．2%、0．3%、0．4%、0．5%，配箍率采用0．3% 。模型主筋、箍筋采用6 钢筋。模型试验加载系统由竖向及横向加载系统组成。竖向加载系统由立柱、反力梁及辊轴支座和液压千斤顶组成，竖向力主要模拟桥跨结构对桥墩的恒载作用效应。横向加载系统主要由加力架、反力墙及电液伺服式加载系统组成。模型墩加载制度采用力－位移混合加载，先按力进行加载，墩身出现裂缝后按位移加载。
2．2 试验结果及分析
模型墩的裂缝开展情况及混凝土保护层剥落现象模型墩的具体试验破坏现象可以得出如下结论:一是，配筋率为0．1% 的桥墩仅在墩底截面产生一条裂缝，配筋率为0．2% ～0．5% 的桥墩在墩底及其他截面同时产生多条裂缝; 二是，当配筋率大于0．4% 时，模型墩表层混凝土压碎脱落，钢筋向外弯曲，与钢筋混凝土桥墩塑性区的破坏现象基本一致; 三是，随着墩身配筋率的增加，塑性区域范围逐渐增大，模型桥墩塑性区域的范围在30 ～90 cm 之间，约为截面高度的0．7 ～2 倍。一是，配筋率为0．1% 时，滞回曲线形状较狭窄，滞回环接近直线，耗能能力较差; 二是，随着墩身配筋率的增加，滞回曲线形状逐渐趋于饱满，耗能能力增加。当配筋率大于0．4% 时，已接近钢筋混凝土桥墩的特性。(注:ρ = 0．5%模型墩试验过程中钢筋从基础中拔出，故滞回曲线呈捏拢状)
3 地震下少筋混凝土桥墩的验算
3．1 验算指标
少筋混凝土桥墩的试验研究结果表明，配筋率低于0．1% 的桥墩，其破坏特征是脆性的，仅在墩底截面产生单一裂缝，在墩底并未形成塑性区域。为安全计，配筋率低于0．1% 的桥墩不适宜进行延性抗震设计。当配筋率为0．5% 时，墩底截面形成了显著的塑性区域，桥墩具有较好的延性变形能力。因此建议配筋率为0．5% 的桥墩按延性设计时，按现行《铁路工程抗震设计规范》取值，即位移延性系数限值μe= 4．8;配筋率为0．1% 时，按弹性设计，位移延性系数限值μe= 1．0。配筋率在0．1% ～0．5% 之间的桥墩进行延性抗震设计时，其位移延性系数限值可在1．0 ～4．8 之间线性内插。不同配筋率下，
4算例分析
以高速铁路32 m 双线简支箱梁桥圆端形实体重力式墩为研究对象，墩高取10 m，墩身横截面尺寸(直坡)为2．6 m × 6．0 m。主筋HRB335，基础为8 根桩径为1．25 m 的钻孔灌注桩，桩长为40 m。计算模型采用单墩计算模型。考虑地基土的柔性效应作用，在承台底施加平动及转动弹簧，桥跨结构的总质量为1 430 t。分别采用非线性时程反应分析法及简化分析法重点对桥墩顺桥向抗震性能进行了分析。采用简化分析法时，罕遇地震下结构的弹性地震反应采用反应谱法分析，输入的谱曲线采用《铁路工程抗震设计规范》中规定的 类2 区(Tg= 0．4 s)β曲线。采用非线性时程反应分析法时，输入的地震动波形采用通过规范谱曲线反演生成的人工波，地震波的峰值加速度分别取0．11g、0．21g、0．32g、0．38g、0．57g，分别对应规范中的6度、7 度、7．5 度、8 度、8．5 度的罕遇地震动。一是，对于中低墩，在6 度区罕遇地震作用下，配筋率为0．1% 的桥墩基本保持在弹性状态;在7 度区罕遇地震作用下，配筋率为0．2% ～0．3% 的桥墩已进入塑性，但考虑墩身有限延性下的耗能作用，桥墩可满足“大震不倒”的设防要求。二是，在8 度区罕遇地震作用下，配筋率为0．4% ～0．5% 的桥墩已进入塑性，但考虑墩身有限延性下的耗能作用，桥墩也可满足“大震不倒”的设防要求。三是，两种分析方法尽管数值略有差异，但结构总体反映的趋势基本一致。
5结论
本文系统研究了少筋混凝土桥墩的抗震性能及罕遇地震下的抗震设计方法，通过分析可得出如下主要结论:
(1)配筋率为0．1% 的桥墩，仅在墩底截面产生一条裂缝，与素混凝土桥墩的破坏现象一致; 配筋率为0．2% ～0．5% 的桥墩，在墩底及其他截面同时产生多条裂缝。当配筋率大于0．4% 时，模型墩表层混凝土压碎脱落，钢筋向外弯曲，与钢筋混凝土桥墩塑性区的破坏现象基本一致。
(2)配筋率为0．1% 时，模型墩的滞回曲线形状较狭窄，耗能能力较差，抗震设计时建议按素混凝土进行设计，位移延性系数限值取1．0。随着墩身配筋率的增加，滞回曲线形状逐渐趋于饱满，耗能能力增加。对于配筋率在0．1% ～0．5% 之间的少筋混凝土桥墩，抗震设计中应合理考虑其耗能能力，位移延性系数限值建议在1．0 ～4．8 之间线性内插。
(3)本文提出了罕遇地震下少筋混凝土桥墩的单墩非线性时程反应分析模型及简化分析法，为便于设计人员使用，建议采用简化分析法。
