钢纤维自密实混凝土节段拼装桥墩拟静力试验研究

高文军，兰海燕，刘少乾，唐光武

(1.桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重庆 400067； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 3. 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041)

节段拼装桥墩是在保证质量的前提下有效缩短了施工周期，对交通的影响小，不会造成施工周边环境的破坏，国外多用于非抗震设防区域或低抗震设防区域[1-2]，我国东海大桥[3]和港珠澳大桥[4]均采用了节段拼装桥墩。目前对节段拼装桥墩的抗震性能研究成果主要在接缝的连接构造方面，国内外学者对不同的接缝形式、在接缝处设置不同的耗能装置进行抗震研究[5-6]，此外对预应力布置[8-9]和预应力度[10]等也做了大量研究。

钢纤维混凝土具有良好的增强、增韧效应[11]，增加钢纤维后可有效改善桥墩裂缝破坏形态和滞回特性[12]，能有效提高桥梁结构的抗震能力[13-14]。本文在节段拼装桥墩接缝处未布置耗能钢筋等耗能构造，仅采用钢纤维自密实混凝土进行抗震试验研究。通过拟静力试验获得了试验模型的破坏过程及特征，同时与普通自密实混凝土模型的试验结果对比，获得了2组模型的力-位移滞回曲线、骨架曲线和耗能能力，分析了钢纤维自密实对预制拼装桥墩抗震性能的影响。

1 结构拟静力试验

1.1 节段拼装桥墩模型设计

试验桥墩由盖梁、4个预制节段桥墩(J1～J4)和承台组成[15-16]，模型设计如图1所示，同时为考察增加钢纤维后的耗能能力和破坏状态，节段接缝处不设置耗能钢筋等耗能构造，仅设置了混凝土剪力键，防止发生水平错动。试验共设计了2组模型，分别是预制节段部分采用普通自密实混凝土的模型(简称普通模型)和0.5%掺量钢纤维自密实混凝土的模型(简称钢纤维模型)，2种模型的混凝土力学性能试验结果如表1所示。钢纤维为比利时贝卡特(BEKERT)佳密克斯ZP305型钢纤维，每根钢纤维长30 mm，截面为圆形，直径为0.5 mm。墩柱预应力布置在桥墩中心，为无粘结预应力，预应力钢绞线总面积为840 mm2，有效预应力为420 kN。

表1 混凝土力学性能试验结果 MPa

图1 模型设计示意

1.2 加载制度

水平加载采用作动器位移控制加载，如图2所示。水平位移的加载等级分别为墩高(2 025 mm)的0.075%、0.125%、0.25%、0.375%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%、 5%、6%、7%、8%、9%、10%，每个加载等级加载3个周期。位移加载速度为0.5 mm/s，当加载水平位移比例达到5%时，加载速度增至1 mm/s。其中以作动器伸长方向为正，作动器回缩方向为负。

1.3 试验破坏过程和破坏特征

在试验过程中，达到每个循环位移峰值点时，记录节段表面裂缝的发展情况。普通模型试验中，当水平位移加载比例小于1%时，节段各接缝未发现明显张开，混凝土没有发现裂缝，总体处于弹性状态。水平位移加载比例达到2%时，底部节段J1明显张开，底部开始出现竖向裂缝；水平位移加载比例达到3%时，J1节段底部保护层混凝土开始轻微剥落；随着加载位移的增大，普通模型底部节段裂缝迅速发展，J1节段底部保护层混凝土大面积剥落露筋。最终达到最大加载位移(10%)时，普通模型节段底部20 cm范围界面内外部保护层混凝土全部剥落，核心混凝土严重破坏，箍筋发生屈曲，如图3(a)所示。

(a) 试验加载照片

(b) 侧面加载

钢纤维模型试验中，在水平位移加载比例达到2%时，试验现象与普通模型基本一致，在后续加载过程中，由于钢纤维的约束作用，裂缝发展缓慢。试验结束时，钢纤维模型在正方向侧底部10 cm和负方向侧底部5 cm范围内保护层混凝土轻微剥落，截面内侧保护层没有发生破坏，核心混凝土、剪力键和箍筋未发生破坏，如图3(b)所示。

2 试验结果分析

2.1 滞回曲线

2组模型的力-位移滞回曲线如图4所示。对于普通模型，滞回曲线具有较好的对称性，水平位移比例在0%～2%期间承载力不断增大，在2%～7%之间基本保持不变，超过7%后承载力迅速下降，达到最大位移时，正向承载力下降为最大正向承载力的75%，负向承载力下降为最大负向承载力的85%。

(a) 普通模型

(b) 钢纤维模型

对于钢纤维模型，在水平位移比例在1%以内时，滞回曲线基本对称。超过1%后的滞回曲线正负向则有明显的不对称现象，正向最大承载力为96.4 kN，负向最大承载力只有77.6 kN。在正向上，随着水平位移的增加，承载力不断上升，达到最大位移时，正方向承载力为最大正向承载力的99%；在负向上，水平加载位移比例超过7%时，承载力开始下降，达到最大位移时，负向承载力为最大正向承载力的87%。滞回曲线不对称原因主要与正负向两侧混凝土的损伤范围不同有关，正向侧混凝土损伤范围小，能提供更多的承载力。与普通模型相比，钢纤维模型滞回曲线表现出更强的捏缩性。

2.2 骨架曲线

2组模型骨架曲线和曲线特征点如图5和表2所示。其中屈服位移和屈服力是根据骨架曲线采用作图法[6]计算得到，纤维模型正向最终状态未达到极限状态条件(承载力下降为最大力的85%)。

图5 骨架曲线

由图5和表2的结果可见，普通模型和钢纤维模型在正负向上的屈服位移和屈服力基本一致，正向屈服位移为10.9 mm和11.1 mm，屈服力为63.5 kN和64.5 kN，负向屈服位移为-8.5 mm和-8.3 mm，屈服力为-61.6 kN和-58.9 kN。在屈服后，普通模型正负向都达到了极限状态条件，即承载力下降到最大承载力的0.85倍；而钢纤维模型在达到最大试验水平位移时，正方向极限承载力未见明显下降，负向承载力是负向最大水平力的0.87倍，因此，可认为钢纤维模型极限位移能力大于202.5 mm。

表2 骨架曲线特征值

2.3 耗能

2组模型的累积滞回耗能如图6所示。相对于整体现浇桥墩和带耗能钢筋的预制节段拼装桥墩[7]，本文中的2组模型滞回特性相似，耗能能力弱，耗能能力基本是随着加载位移量线性增长，在位移量超过80 mm后，普通模型混凝土因损伤加速，耗能能力比钢纤维模型大30%。致使耗能能力一致的主因是试验模型无耗能钢筋，主要通过混凝土进入非线性后进行耗能。而试验中普通模型混凝土的开裂、破坏的耗能较多，而钢纤维模型混凝土损伤小，混凝土受损程度的差异造成了2组模型耗能能力差别。

图6 每个加载周期的滞回耗能

3 结论

通过普通自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土节段拼装桥墩的拟静力试验，以及试验中节段接缝破坏特点、力-位移滞回曲线和耗能能力的分析，得到以下结论：

1) 在达到同等水平位移时，普通自密实混凝土模型J1节段底部20 cm范围内保护层混凝土全部剥落，核心混凝土严重破坏，箍筋发生屈曲，而钢纤维自密实混凝土模型仅为保护层局部混凝土破坏，核心混凝土和混凝土剪力键无明显损伤，有良好的抗震性能。

2) 钢纤维可对混凝土进行有效约束，可延缓节段接缝处裂缝的发展和保护层混凝土剥落，减少核心混凝土的损伤，但是在拟静力试验中，采用钢纤维自密实混凝土的预制拼装桥墩节段耗能能力并没有提高。

3) 拟静力试验不能体现出钢纤维自密实混凝土在节段拼装桥墩接缝处的冲击耗能能力，对于该方面需要进一步试验研究。