基于耐久性的超高性能纤维改性混凝土叠合墩柱设计概念

吴香国

(哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

1 基于耐久性的叠合结构设计概念

基于耐久性的新型结构设计概念，实际上是基于结构耐久性越来越引起国内外政府和科学界的广泛关注的大背景.据美国土木工程学会报告，美国现有29%以上桥梁和1/3以上的道路老化，有2 100座水坝不安全，估计需1.3万亿美元改善其安全状态.美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的10%.发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占GDP的1.5% ～2.0%，其中主要是混凝土结构的耐久性破坏.我国目前和今后一个时期仍将是基础设施建设的高峰期，美国等西方发达国家若干年前建设的工程结构的现状很有可能就是我国若干年后必须面临的严峻问题，有必要尽早开展基于耐久性的结构设计.

超高性能纤维改性混凝土(UHPFRC)是由钢纤维和高强水泥基体以及矿物掺合剂经特殊工艺拌和与养护工艺制成，同普通混凝土(OPC)和普通纤维混凝土(FRC)相比较，由于UHPFRC基材密实，其抗压强度可以达到80～100 MPa、抗拉强度可以达到6～10 MPa、弹性模量为40～50 GPa，材料的抗裂、抗渗、耗能能力大，抗侵蚀能力也得到较大提高，具有较高的耐久性能［1］.将 UHPFRC永久模板结构，与传统的钢筋混凝土结构相结合，形成UHPFRC叠合结构，UHPFRC作为结构的外防护层，不仅能够有效提高结构的抗裂性能，而且能够提高结构整体的抗冻融、抗劣化能力.因此UHPFRC叠合结构是基于UHPFRC高耐久性实现结构整体耐久性设计的有效途径.笔者提出的UHPFRC永久模板墩柱结构［2］主要是面向梁桥重力式桥墩结构的新型结构设计概念.

目前的梁桥重力式桥墩主要是实体式桥墩，在城市高架、城际高铁等中、小跨度桥梁工程中具有广泛的应用，采用的主要结构形式是普通混凝土重力式桥墩，主要施工工艺是采用组合式钢制模板，尚没有开展真正意义上的耐久性设计.在组合式模板施工工艺下，形成的传统的重力式桥墩结构导致混凝土表面自然裸露，由于普通混凝土耐久性低而导致整个墩柱结构耐久性没有保证，特别是在铁路桥墩建设中这个问题尤为突出.为了提高桥墩结构的服役寿命，国内已经提出了铁路桥墩防护板的设计概念及其要点，对既有桥墩进行防护，以期提高既有桥墩结构的耐久性，减少结构的后期维护成本，最终延长结构的使用寿命［3］.但是新建项目仍然在延续传统的组合钢制模板施工方案.组合式模板施工、拆卸后的桥墩结构本身受到气候和环境因素影响，极端气候条件下容易引起表面未服役条件下的初始微裂纹，影响结构的服役寿命.

除此之外，传统的桥墩钢制组合模板方案尚存在以下问题:安装和拆卸2个工序耗工时，且2个工序中均存在高空作业，明显影响施工工期.组合式钢制模板施工方案对钢制模板用量大，存在往返二次运输的问题，对于远距离高速铁路桥梁建设，运价相对高.

UHPFRC叠合墩柱结构的概念是将UHPFRC预制成节段制品，作为墩柱结构的永久模板，并作为成型结构的外保护层，利用HPFRC的较高抗裂、抗渗等耐久性能，实现墩柱结构的耐久性设计.结构的耐久性是通过保证结构外保护层的高耐久性为基础的，UHPFRC永久模板属于多功能永久模板，具体含义为，在施工阶段UHPFRC作为桥墩的模板，在桥墩成型后兼做桥墩的防护板，UHPFRC永久模板不仅作为钢筋的外保护层，同时依据结构设计理论，它将成为结构的一部分承载.

2 UHPFRC材料性能

UHPFRC是由水泥、硅灰、细砂、短细高弹性模量钢纤维、水、高效减水剂，经特殊搅拌工艺和养护工艺而制成.典型的水灰比为0.15～0.20，对应的硅灰含量为20%～30%，对水泥和硅灰的物理和化学性能要求见表 1［4］.

表1 对水泥和硅灰外掺剂的物理和化学性能要求

基于叠合墩柱结构的UHPFRC，在细骨料的选取方面，突破传统的UHPCC对石英砂的严格限制，材料粒径为0.5 mm以下的国产河砂，密度为2.62 g/cm3，SiO2含量为93%.采用的聚羧酸系减水剂密度为1.01 g/cm3，固含量为30%.采用粒径为100 μm的某填充剂，该填充剂的物理和化学性能见表2.

表2 填充剂的物理和化学性能

采用钢纤维的体积分数为2%，该钢纤维的密度为 7.5 g/cm2，长度为 15 mm，直径为 0.2 ～0.5 mm，抗拉强度为1 200 ～1 800 MPa.材料的基本配合比见表3.

表3 UHPFRC的配合比(质量)

UHPFRC的搅拌工艺如图1所示.与普通混凝土(NCC)、普通纤维混凝土(FRC)和高强混凝土(HSC)相比，UHPFRC具有较高的强度，虽然UHPFRC延性不及ECC，但是UHPFRC已经是多裂缝失效模式，并且具有较高的耐久性能［5－7］，具体的材料性能指标与UHPFRC材料分级及其相对应的配合比设计有关.这里列出UHPFRC与NCC和FRC的基本力学性能对比，见表4.

图1 UHPFRC搅拌工艺流程

表4 3种混凝土的主要力学性能对比

UHPFRC的抗氯离子侵蚀能力远高于NCC和FRC，经600周冻融循环试验，UHPFRC的动弹性模量几乎没有损失，见表5，其中UHPFRC的下限值为超高性能水泥基复合材料(UHPCC)的耐久性指标.

表5 3种混凝土的主要耐久性能对比

3 UHPFRC叠合墩柱结构方案

3.1 材料选取

该多功能永久模板采用上述材料性能范围内，经过力学分析，基于现有结构技术规范，要求UHPFRC具有非线性破坏行为，设计抗压强度为80～120 MPa.在轴拉作用下，材料具有多裂缝失效特征，其设计抗拉强度可为8～12 MPa.材料的设计初裂应变为0.000 10 ～ 0.000 14，极 限 拉 应 变 为 0.002 0 ～0.003 5.材料同时应具有较好的抗冲击性能，在1.5 m高度的25 kg落锤自由落体冲击15～18次后，相应的抗冲击试件才允许出现肉眼可见的宏观裂纹.该材料应具有较高的耐久性能，以期达到桥墩外防护板的设计要求.首先，进行6个月的碳化实验，材料的碳化深度应近似为0 mm.其次，根据ASTM C 1202规范，进行材料的抗氯离子侵蚀实验，通电量应不大于2 C.第三，材料经历冻融循环400次后，其弹性模量损失应不大于5%.第四，材料的孔隙率为0.051 ～0.052 mL/g.根据以上要求，优化UHPFRC配合比设计.

3.2 结构形式

基于耐久性的叠合桥墩结构UHPFRC永久模板结构形式，包括圆端弧段板、直段板，矩形、圆形节段，具体实施依据选择基于桥墩的截面形式.UHPFRC永久模板由相应段板经预埋联接件的焊接而形成，以圆端形为例，UHPFRC永久模板组成如图2所示，包括段板单元基材1－1、水平段间界面联接预埋件1－2、上下段间界面联接预埋件1－3、内外界面抗剪联接件1－4.

图2 多功能永久模板水平节段组成

水平段间界面联接构造如图3所示，包括水平段间界面联接预埋件1－2、水平段间楔形界面1－5.其它标注为节段内表面1－6、上下节段联接支撑面1－7、上下节段间楔形界面1－8.

段间界面联接预埋件1－2如图4所示，包括水平界面1－2－1、楔形界面1－2－2(焊接界面，与轴线具体夹角根据焊接施工空间需要和结构受力计算而确定)、联接杆件1－2－3、端部拉结杆1－2－4，界面1－2－1位于上下节段联接支撑面1－7内.

上下段间界面联接构造如图5所示，包括预埋件1－3、上下节段联接支撑面1－7、上下节段间楔形界面1－8.预埋件1－3构造与1－2相同.内外界面联接构造如图6所示，包括抗剪联接件1－4.

矩形和圆形断面的UHPFRC永久模板组成与上述圆端形UHPFRC永久模板组成类似，不再赘述.该UHPFRC永久模板方案的主要优点表现在，其施工工艺只存在模板安装，不存在模板拆卸，属于免拆永久模板，这将显著加快施工速度，缩小工程工期.对于远距离的桥梁工程建设中的模板运输而言，只存在单程运输成本，因此可以大大简化模板工程和施工成本.该永久模板采用UHPFRC为基材，材料特性决定了多功能永久模板的结构性能在抗侵蚀能力、抗冻融循环能力等方面相对于传统的桥墩结构得到极大提高，这将降低或减少工程结构的后期维护成本，有效延长结构的服役寿命.

3.3 UHPFRC叠合墩柱的底层节段联结方案

UHPFRC永久模板底层节段与墩台的联结是结构安全性设计的关键环节之一，在结构受力分析的基础上，提出2种构造方案:

1)在桥墩基础承台上，承台内竖向受力筋应按照预制多功能永久模板的第一层节段中预埋件的位置预留出钢筋，用于与底层模板焊接联接.具体焊缝长度与厚度根据桥墩设计规范中的荷载环境进行受力计算.

2)在桥墩基础承台上，按照桥墩基底截面进行放线，根据预制多功能永久模板的第一层节段中预埋件的位置，确定桥墩基础承台联接点位置，植入膨胀螺栓，具体植入螺栓深度和直径以及焊缝长度与厚度根据桥墩设计规范中的荷载环境进行受力计算.在膨胀螺栓拧紧后，将端部与相对应的节段底层预埋件焊接固定.

4 结语

UHPFRC叠合墩柱结构的设计，初步可以依据现有混凝土结构设计规范进行设计，仅视UHPFRC永久模板为结构的保护层，这属于偏安全保守设计.但是，实际上由于UHPFRC的超高力学性能［8］，UHPFRC永久模板不仅作为钢筋的外保护层，同时依据结构设计理论，它将成为结构的一部分来承载，对结构的全过程非线性发展、极限承载力、变形和裂缝演化、结构的延性和抗震性能有着显著的影响，传统的墩柱结构承载力设计理论、正常使用极限状态设计理论以及抗震设计方法有待修正，拟开展的UHPFRC－混凝土叠合墩柱结构的关键研究内容包括:

1)UHPFRC－混凝土叠合墩柱结构的轴压破坏机理和承载力极限状态设计方法.

2)轴压作用下的UHPFRC－混凝土叠合墩柱结构的变形和裂缝控制方法.

3)UHPFRC－混凝土叠合墩柱结构的滞回性能及其抗震设计方法.

4)UHPFR－混凝土界面非线性破坏机理.

目前，基于黑龙江省自然科学基金项目的资助，开展了UHPFRC管在施工荷载下的力学性能分析［9］，为施工荷载下的UHPFRC永久模板设计提供了理论依据，完成了轴压和偏压荷载作用下的UHPFRC叠合墩柱结构的极限承载力分析，完成了小尺寸UHPFRC管混凝土轴压短柱的系列结构试验，验证了基于UHPFRC管混凝土的非线性有限元模型及其参量，并开展了轴压和偏压作用下的大尺寸UHPFRC管混凝土叠合墩柱结构的非线性有限元分析，为开展大比例结构缩尺试验奠定了基础.今后的主要工作是，在完成大比例结构性能缩尺静载和拟静力试验的基础上，研究UHPFRC－混凝土叠合墩柱结构的轴压比影响，建立极限承载力设计方法和抗震设计方法，研究在滞回荷载作用下的UHPFRC与混凝土界面破坏机理，建立结构的变形和裂缝控制方法，为该类新型结构的设计提供科学依据.

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