超高性能混凝土加固矩形橋墩抗震性能試驗(yàn)研究

摘要：為研究采用超高性能混凝土進(jìn)行加固的矩形橋墩的抗震性能，根據(jù)抗震要求設(shè)計(jì)制作了兩個(gè)全尺寸橋墩試件，一個(gè)為未加固的對(duì)比試件，一個(gè)為使用超高性能混凝土加固的試件。采用擬靜力試驗(yàn)方法研究試件的失效模式及滯回特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：使用超高性能混凝土加固的矩形橋墩試件具有較好的耗能能力，柱底形成塑性鉸，混凝土未發(fā)生損壞，破壞模式為韌性破壞，而未加固試件的破壞模式為脆性破壞。

關(guān)鍵詞：橋墩抗震加固；超高性能混凝土；擬靜力試驗(yàn)；滯回特性

0 引言

研究過(guò)去發(fā)生的橋梁震害表明，鋼筋混凝土橋墩是地震中的易損構(gòu)件，大量鋼筋混凝土橋墩因在地震中破壞而導(dǎo)致整座橋梁倒塌[1-2]。提升橋墩的抗震性能是實(shí)現(xiàn)橋梁基于性能抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此對(duì)橋墩的加固與修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究尤為重要[3]。

傳統(tǒng)的橋墩加固方法包括增大截面加固法[4]、體外預(yù)應(yīng)力加固法[5]、FRP加固法等，目前這些方法已得到一定應(yīng)用，但各自的不足與局限性也十分明顯。例如增大截面法增大了結(jié)構(gòu)自重，施工周期較長(zhǎng)。體外預(yù)應(yīng)力加固法施工工藝復(fù)雜。FRP加固法成本較高，對(duì)結(jié)構(gòu)表面平整度要求較高。此外，這些方法且大多是針對(duì)圓形和方形橋墩開(kāi)發(fā)的，關(guān)于矩形橋墩的研究較少。

超高性能混凝土作為一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，因具有高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性以及良好的工作性能，近幾年得到了快速發(fā)展[6]。彭超凡[7]對(duì)采用UHPC連接的預(yù)制柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，搭接長(zhǎng)度為10d的UHPC連接試件與整澆構(gòu)件的抗震性能相當(dāng)。

鑒于此，本文采用UHPC套箍約束橋墩底部塑性鉸區(qū)域的抗震加固新方法，采用擬靜力試驗(yàn)，對(duì)采用該新型加固方法的橋墩抗震性能進(jìn)行評(píng)估，研究了試件的破壞形態(tài)、變形能力及耗能能力，并與未加固橋墩的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比，證明了該加固方法的有效性，為該加固方法的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 矩形橋墩破壞模式和加固技術(shù)

1.1 矩形橋墩破壞模式

在遭受?chē)?yán)重地震作用的矩形橋墩中，許多橋墩的破壞是由于縱向抗彎強(qiáng)度不足或橫向抗剪強(qiáng)度不足，造成橋墩在搭接區(qū)域出現(xiàn)剪切破壞。劈裂裂縫可能在受拉面形成，但也可能在鋼筋平面上形成，與受拉面平行。矩形橋墩縱向典型破壞模式如圖1所示。柱面搭接處的典型劈裂裂縫如圖2所示。

1.2 傳統(tǒng)加固解決方案不足

傳統(tǒng)的圓形或方形柱的加固解決方案，通常是在現(xiàn)有柱周?chē)胖糜善胀ɑ炷?、焊接鋼板或玻璃鋼制成的圍套，依靠這些圍套增加混凝土核心筒的密實(shí)度，從而提高搭接接頭的抗壓能力。然而，這些技術(shù)并不適用于長(zhǎng)寬比大于2的矩形柱，主要原因是夾層尺寸過(guò)大，限制了了約束材料的作用，且橋墩不能過(guò)度加寬。

顧冬生等[8]研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約束混凝土圓柱的抗震性能以及破壞模式。研究結(jié)果表明：使用FRP加固高軸壓比的鋼筋混凝土短圓柱，可有效提高其抗震性能，能使試件從脆性剪切破壞，逐步過(guò)渡到有較好延性的彎曲破壞。但實(shí)際工程中，F(xiàn)RP加固材料的強(qiáng)度利用率較低，且FRP一般采用有機(jī)膠與混凝土粘結(jié)，二者的相容性較差。

1.3 新加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

本文研發(fā)的加固技術(shù)是在搭接區(qū)域中使用UHPC夾層，以對(duì)現(xiàn)有柱進(jìn)行改造，如圖3所示。即將現(xiàn)有的混凝土覆蓋層拆除，使傳力桿和鋼筋暴露出來(lái)，用UHPC圍套替換現(xiàn)有的混凝土覆蓋層。該技術(shù)是通過(guò)使用UHPC來(lái)增強(qiáng)桿件的錨固性能，從而使傳力桿能夠在搭接拼接區(qū)域之外屈服，并提供所需的延展性。當(dāng)橋墩發(fā)生縱向撓曲破壞時(shí)，其能有效減緩劈裂裂縫的擴(kuò)展，使搭接區(qū)域的鋼筋屈服。

2 試驗(yàn)概況

2.1&nbR1iaaFRZNHZCLrvWlmUseVzXckxyonEU3w86NWYHE0c=sp; 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)制作了兩個(gè)橋墩試件，其中一個(gè)試件未加固，另一個(gè)使用UHPC圍套加固，橋墩截面尺寸為500mm×

2000mm，高度為5250mm?；炷翉?qiáng)度按C30設(shè)計(jì)，橋墩縱筋采用直徑為24mm的HRB400鋼筋，箍筋間距為300mm。橋墩構(gòu)造如圖4所示。

加固試件的混凝土保護(hù)層和搭接鋼筋周?chē)幕炷粒褂描弾r錘進(jìn)行拆除。將UHPC圍套垂直放置，以符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工情況，總共倒入0.5m3的UHPC，使UHPC完全包裹住鋼筋，無(wú)需振動(dòng)。搭接區(qū)域UHPC制備如圖5所示。

2.2 確定試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的UHPC由普通硅酸鹽水泥、硅灰、礦粉、石英砂、鋼纖維、減水劑和水制備，其中水泥、硅灰、礦粉的質(zhì)量比為1：0.25：0.1。試驗(yàn)采用端鉤鋼纖維，其摻量為240kg/m3，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。采用邊長(zhǎng)為100mm的立方體試塊，測(cè)得UHPC的立方體抗壓強(qiáng)度為130MPa，等效彎曲強(qiáng)度為25MPa，和易性良好。

2.3 加載方案與測(cè)點(diǎn)布置

試件通過(guò)8根預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在實(shí)驗(yàn)室地板上。將鋼筋張拉，以保持基腳與地板的充分接觸。將兩個(gè)500kN的MTS作動(dòng)器固定在試樣頂部和L形反力墻上，施加水平荷載，并測(cè)量UHPC圍套應(yīng)用效果。施加重力荷載會(huì)增加彎曲強(qiáng)度，從而增加對(duì)剪切承載力的需求。未施加垂直荷載，是為了避免試件產(chǎn)生撓曲破壞。測(cè)試裝置如圖6所示。對(duì)試件進(jìn)行低周循環(huán)加載試驗(yàn)，控制位移的變化，當(dāng)延性等級(jí)達(dá)到5后停止加載。加載模式如圖7所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件破壞過(guò)程分析

試件呈現(xiàn)出兩種不同的破壞模式，對(duì)于對(duì)比試件，當(dāng)位移達(dá)到10mm時(shí)試件產(chǎn)生一條水平裂縫。繼續(xù)加載，試件底部塑性鉸區(qū)水平裂縫數(shù)量持續(xù)增加。加載至50mm時(shí)，鋼筋開(kāi)始屈服。當(dāng)加載至100mm時(shí)，試件強(qiáng)度迅速下降，在搭接區(qū)沿著鋼筋形成劈裂裂縫，導(dǎo)致鋼筋滑動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生脆性破壞，無(wú)任何延性現(xiàn)象。

分析認(rèn)為，加固后的試件表現(xiàn)出出色的滯回響應(yīng)，強(qiáng)度一直增強(qiáng)，直到位移達(dá)到250mm，且表現(xiàn)出完全不同的破壞模式。UHPC圍套阻止了開(kāi)裂裂縫的形成，且使得搭接區(qū)域的混凝土能夠維持鋼筋之間的載荷傳遞作用，并因此發(fā)展出足夠的強(qiáng)度來(lái)抵抗施加的載荷。此外，在加固試件的底部搭接區(qū)域下方傳力桿中，加固試件的底部形成了塑料鉸鏈。

將加載設(shè)置進(jìn)行修改，進(jìn)行一個(gè)推擠試驗(yàn)，結(jié)果施加的載荷在位移365mm時(shí)達(dá)到367kN。由于試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)被迫中止。在這個(gè)過(guò)程中，兩根鋼筋在拉伸中斷裂，試件沒(méi)有顯示任何損壞的跡象。

3.2 試件滯回曲線分析

水平荷載-位移滯回曲線對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出，UHPC加固橋墩試件的滯回曲線形狀較為飽滿(mǎn)，捏縮現(xiàn)象不顯著，說(shuō)明其耗能能力及抗震性能優(yōu)于未加固試件。未加固橋墩發(fā)生脆性剪切破壞，滯回耗能能力嚴(yán)重不足。UHPC加固橋墩試件的峰值位移和承載力均高于對(duì)比試件，UHPC加固層可以直接承擔(dān)剪力，且UHPC加固層中的鋼纖維發(fā)揮了橋接作用，能夠遏制彎剪裂縫的發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)UHPC加固鋼筋混凝土橋墩擬靜力試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：未加固橋墩的塑性鉸區(qū)域混凝土嚴(yán)重?fù)p壞，發(fā)生具有顯著脆性破壞；UHPC加固層可以通過(guò)改變破壞機(jī)制的性質(zhì)來(lái)顯著提高矩形橋墩的延性，UHPC加固橋墩試件韌性較高，發(fā)生延性破壞。

UHPC加固鋼橋墩的滯回曲線較為飽滿(mǎn)，沒(méi)有明顯的捏縮現(xiàn)象，說(shuō)明UHPC加固層可以對(duì)塑性鉸區(qū)的Q13ak+oFTPZLCpuq4dbZXQ==核心混凝土起到套箍作用，從而提高橋墩的變形能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 黃建文，朱晞.近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土橋墩基于位移的抗震設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2005（4）：84-90.

[3] 曹興，魏洋，李國(guó)芬，等.鋼筋混凝土橋墩加固與修復(fù)技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2011，40（15）：60-64.

[4] 陳正旵.增大截面法加固橋墩施工技術(shù)研究[J].交通世界，2020.542（20）：116-117.

[5] 何舒婷.體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在連續(xù)梁橋加固中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2016，47（12）：1089-1091.

[6] 徐文靖，邵曉東，馬骉，等.采用UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩構(gòu)造及試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2022，55（12）：105-116+127.

[7] 彭超凡，鄭七振，龍莉波，等.以UHPC材料連接的預(yù)制柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑施工，2016，38（12）：1711-1713.

[8] 顧冬生，吳剛，吳智深，等.CFRP加固高軸壓比鋼筋混凝土短圓柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].工程抗震與加固改造，2006（6）：71-77.