局部锈蚀矩形RC墩重度震损后加固试验研究

2022-05-11黄海新丛日来程寿山李春明

世界地震工程 2022年2期

黄海新，姜鹏，丛日来，程寿山，李春明

（1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.交通运输部公路科学研究所，北京 100080；3.天津市交通运输基础设施养护集团有限公司，天津 300400）

引言

锈蚀和震后损伤修复均是桥梁抗震加固中非常重要的研究课题。桥墩作为桥梁的重要组成部件，在沿海等潮湿环境中常因养护不当导致出现局部锈蚀，若再遭遇地震，势必会发生较为严重的破坏。对处于“可修”范围内的桥墩，为恢复其工作性能以确保结构后期的运营安全，采用何种抗震加固方式和评价手段一直被科研人员所关注。其中：扩大截面加固法构造简单和施工方便，易于实践。

许陆洋［1］对采用扩大截面加固的震损无粘结预应力柱进行了拟静力试验，结果表明：加固能够提高柱的承载力和变形能力；郑之义［2］采用扩大截面加固方式对震损矩形截面柱进行了加固试验，研究发现加固后构件承载力提升明显；JIANG 等［3］对严重破坏的震损桥墩扩大截面加固时植筋采用BFRP 并外包GFRP 布，结果显示桥墩的抗弯能力恢复，并且延性增强；司炳君等［4］对发生破坏的圆形截面桥墩扩大截面修复后进行加载试验，发现加固试件保护层过厚不利于植筋作用的充分发挥；张宇［5］针对严重破坏的RC 柱采用重新浇筑塑性铰区和缠绕CFRP布相结合的方式进行加固，试验结果表明：加固试件承载力、延性、耗能能力等均有明显提高。钢筋锈蚀是影响其抗震性能的主要因素，对此部分学者进行了有益的探索［6－8］。此外，文献［9－12］围绕震损加固也取得了一定有价值的研究成果。

综上所述，现有针对扩大截面法进行抗震加固的研究，鲜见考虑锈蚀和塑性铰破坏的双重叠加效应。为此，本文设计制作了6个重度受损且局部锈蚀矩形截面RC桥墩，采用扩大截面加固后通过拟静力试验，重点研究轴压比、锈蚀率、锈蚀位置、有无预应力等参数及其变化对桥墩抗震性能的影响，以期为震后加固修复实际工作提供有价值的参考和建议。

1 RC墩加固试验概况

1.1 加固前RC墩简介

加固前设计制作6 个局部锈蚀并重度受损的矩形RC 墩柱试件［13］，墩截面为400 mm×300 mm，试件加载点高度为1 800 mm，具体设计尺寸如图1 所示。试件整体采用C30 混凝土，纵筋采用8 根直径为20 mm 的HRB335级钢筋，箍筋为10 mmHPB235级光圆钢筋，箍筋间距为100 mm，混凝土净保护层厚度为22 mm。墩柱的钢筋锈蚀采用电化学加速锈蚀试验方法进行模拟［13］，其基本原理是依据电化学锈蚀的法拉第定律，当电流密度保持不变时，钢筋的锈蚀深度与通电时间成正比，实际操作中将连接钢筋的导线端和浸在NaCl 溶液中的铜网分别连接电源的正极和负极，通过精确控制通电时间使锈蚀率控制在5%、15%和25%左右。锈蚀范围为距墩柱底部0～400 mm和500～900 mm两个区域，各桥墩锈蚀情况见表1。

图1 矩形RC墩设计图Fig.1 Design of rectangular RC pier

表1 墩试件设计参数表Table 1 Design parameters of piers

为进一步模拟获得在震后遭受重度受损的桥墩，这里采用拟静力试验的方式对桥墩施加侧向荷载，使其在桥墩底部区域出现塑性铰，并以此状态定为桥墩重度受损。桥墩锈蚀及震损破坏情况如图2所示。

图2 加固前墩柱锈蚀及重度受损图Fig.2 Rust and severe damage diagram of piers

图3 给出了不同锈蚀率试件拟静力震损模拟后的骨架曲线。从中可见：在锈蚀和震损叠加损伤情况下本文所给试验试件的承载力最大下降幅值约40%。

图3 损伤试件骨架曲线Fig.3 Skeleton curve of damaged specimen

1.2 RC墩柱试件加固设计方案及参数确定

鉴于叠加损伤下桥墩试件的承载力下降幅值较大，这里以恢复桥墩试件的水平承载能力为目标需求确定加固设计参数，加固方案采用扩大截面法，具体实施分为有和无横向水平预应力约束两种方式。

基于严重受损后的各个RC 墩柱试件开裂及混凝土保护层脱落情况，根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ22-2008）［14］推算得截面塑性铰高度为254 mm，结合墩柱约400 mm 的局部锈蚀高度，以及保护层竖向开裂的高度，拟定试件的加固高度为450 mm。加固后截面的抗弯刚度由凿除破损混凝土之后剩余原截面的抗弯刚度和新浇筑截面抗弯刚度共同组成，其中原截面的残余抗弯刚度根据加固前试件的弯矩曲率拟定，同时结合OpenSees 建立损伤模型进行加固桥墩的数值模拟，最终确定满足目标需求的加固设计参数。加固部分浇筑混凝土采用C35，同时考虑到施工的便利性，加固截面尺寸最终确定为520 mm×420 mm，详细加固设计见图4。其中：无预应力的常规扩大截面加固方式中钢筋为普通纵筋和箍筋，如图5（a）所示，纵筋采用直径为12 mmHRB400级钢筋，四角4根，每个侧面中间布置两根，总计12根，在凿除加固高度内受损构件保护层及破碎混凝土后，钢筋分别采用下端在底座打孔和上端在未加固截面保护层上开槽方式设置。箍筋依据计算确定为7根10 mmHPB300级光圆钢筋，间距为60 mm。

图4 RC墩加固设计图 Fig.4 Design of reinforced rectangular RC pier

为比较有无横向预应力对抗震加固性能的影响，单独对试件A1 采用横向施加预应力的改进扩大截面加固方式，即将A1 中自下向上的第1、3、5、7 根箍筋采用相近强度的4.8 级普通螺杆代替，如图5（b）所示，待浇筑混凝土达到设计强度后施加大小为螺杆屈服强度10%的预应力并锁定螺母。为便于后继对加固前后试件抗震性能的对比分析，加固后试件编号分别在原编号前添加字母R。表2 给出了加固用钢材的实验参数。

表2 材性试验参数Table 2 Parameters of material test

图5 有无预应力扩大截面配筋对比图Fig.5 Comparison of enlarged section with or not prestressed bar

1.3 试验加载与测点布置

墩柱的抗震加固性能试验采用拟静力方法实施，加载试验如图6所示。其中：竖向荷载和水平荷载分别采用100 t液压千斤顶和水平作动器施加。加载制度采用变幅位移控制法，位移循环幅值以5 mm为初值，加载至20 mm前每级间隔5 mm，而后以10 mm间隔递增至80 mm，每个循环往复一次。

图6 桥墩加载图Fig.6 Diagram of specimen loading

试验中墩柱加载点处的力与位移采用压力传感器和电子位移计自动采集，加固区域应变数据通过DH3816N动态应变采集系统自动采集，应变片在混凝土浇筑前预埋在钢筋上，测点设置涵盖原墩柱纵筋、箍筋和扩大截面时新增纵筋、箍筋，实施情况可参见图5。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

图7给出了各试件的破坏形态。在试件未加固区域，随着水平位移幅值的加大，裂缝首先沿原弯剪破坏微裂缝开展，在水平位移幅值为20～40 mm 时在其它未开裂区域快速出现多条新的裂缝。RA4 试件的锈蚀位置为500～900 mm 区域，该区域保护层出现竖向裂缝，存在成为第二个塑性铰的可能，需要在日后的加固设计中特别注意。

图7 各试件破坏形态图Fig.7 Damage diagram of specimen

在加固混凝土区域，当水平位移加载到30 mm 时水平弯曲裂缝贯通。通过观察记录，当水平位移加载到20～40 mm时，试件加固区域在距离外侧面5～20 cm 的位置，加固区开始出现一条斜向裂缝，其中无横向预应力加固的各试件在水平位移达到50 mm 时该裂缝开展到最底部，裂缝最宽处超过4 mm，整个加固区保护层脱落，如图7（a）中所示最宽的裂缝，而采用螺杆预应力加固的RA1墩出现裂缝的时间明显滞后，且斜向裂缝宽度大幅减小，在水平位移为80 mm 时宽度才达2 mm。分析其原因在于，螺杆横向预应力的施加对结构相当于施加了水平双向约束，对结构的斜向裂缝起到了明显的抑制效应，结构的剪切变形变小，抗剪能力自然增强，对破坏后桥墩的抗震性能修复成效更佳。

2.2 试件滞回曲线分析

图8给出了各个墩柱试件加固前后力-位移滞回曲线的对比情况，其中规定水平力为负表示作动器施加推力，反之施加拉力。

从图8 可见：叠加受损后的墩柱在进行塑性铰区域加固之后，承载力存在不同程度的提升，达到加固设计目标，尤其是施加横向预应力的加固方式下降段的承载能力提升较为明显。观察发现：随加载位移幅值不断增大，卸载强度和刚度下降，且随循环次数增加下降速率加快。对比相同加固方式下不同锈蚀程度试件滞回曲线图8（a）、图8（c）和图8（d），明显可见锈蚀程度越大，墩顶最大侧向力越小，滞回环面积越小，捏缩现象越严重。观察具有不同锈蚀位置试件的滞回曲线图8（c）和图8（e），可以看到锈蚀发生在墩柱中部较墩底区域时，墩顶最大侧向力增大，滞回环面积也明显增大，且刚度退化减缓。对比不同轴压比试件的滞回曲线图8（c）和图8（f），可见：轴压比越大，最大墩顶侧向力越大，但墩顶侧向力退化较快。

图8 各试件的滞回曲线对比图Fig.8 Comparison of hysteretic curves of each specimen

需要说明的是：部分试件力-位移曲线在正负位移上呈现出一定的不对称性。其原因在于试件在加固之前因预破坏存在一定的倾角，加固时未能完全扶正，导致水平加载过程中构件的竖向位移产生变化，而受竖向加载反力架的约束构件轴力出现小幅波动，进而影响滞回曲线。以RA1 试件为例，其加固前存在负向位移倾角，在向正向位移加载过程中，柱端自然会产生向上的竖向微小位移，竖向轴力逐渐变大，达到峰值后随着水平位移的继续加大，竖向轴力又会变小，轴力的波动导致其滞回曲线不对称。

2.3 试件骨架曲线和承载能力分析

根据各个试件的滞回曲线，提取峰值点的数值获得骨架曲线，其中考虑正负位移的不对称性，坐标值取正负向的均值，骨架曲线如图9所示。

从图9（a）-图9（f）可见：各加固试件载力基本恢复到加固前水平。加固试件的承载力分别为175 kN、180 kN、170 kN、163 kN、183 kN 和156 kN，相应的较加固前分别提升了4.7%、18.4%、26%、32.4%、13.35%和24.2%；与RA0相比，RA2和RA3较其分别降低了2.85%和6.85%，而RA1则提升了2.85%。观察图9（h）-图9（i）发现：当试件的锈蚀位置上移和竖向轴压比增大时，水平承载能力提升；相比RA2，RA4 提升了7.64%，RA5 降低了8.23%。值得探究的是图9（g），对均采用普通箍筋加固的试件RA0、RA2 和RA3，随着锈蚀率的增加，承载能力在加载的前半段呈递减的趋势，后半段变化则无明显的规律性。试件RA2 和RA3 在加载后半段部分位移点承载力之所以大于RA0，推测原因：一种是二者加固前由于初始倾角较大，试验中随着加载位移变大轴压增加明显，轴压大承载能力变大；另一种原因可能是RA0箍筋绑扎不够牢固，套箍效应未充分发挥。纵观整个加载区段，构件RA1由于施加了横向预应力，其承载能力始终处于高位。

图9 加固前后试件骨架曲线对比图Fig.9 Comparison of Skeleton Curve of Specimen Before and After Reinforcement

2.4 试件延性分析

延性是反映构件承载能力基本不降低的条件下具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用位移延性系数体现，按下式（1）计算：

式中：Δu为极限位移；Δy为屈服位移；二者可基于骨架曲线，采用PARK［15］的能量法获得。

如图10所示，其原理在于从原点引直线OC使阴影部分OAB和BCD面积相等，即将原本骨架曲线OABD段等效于OBCD 段，进而得到C点坐标。然后经C点向x 轴做垂线，与骨架曲线的交点M即为钢筋混凝土桥墩的屈服点，M点横坐标为屈服位移，纵坐标为屈服强度。峰值点D横坐标为最大位移，纵坐标为最大墩顶承载力，图中N点即为极限点，表示墩顶承载力降低到最大墩顶承载力的85%，其横坐标就是极限位移。

图10 能量法原理示意图Fig.10 Schematic illustration of the principle of energy

试件加固前后延性情况如图11 所示。从图中可见：加固后试件延性系数较原试件均有所减小；锈蚀率越大延性越小；锈蚀位置上移，位移延性系数变大；轴压比增大，位移延性系数减小。需要指出的是，RA1试件由于采用施加横向预应力的改进扩大截面加固方式，延性系数较无锈蚀率试件RA0 仍有所提升，提升幅度约17%，而无横向预应力的RA2和RA3则较RA0分别降低了10.2%和15.17%。

图11 延性对比Fig.11 Ductility comparison

2.5 刚度分析

试件刚度分析采用骨架曲线每个位移点与坐标原点的割线加以体现，计算公式见式（2）：

式中：Ki为第i个位移点的割线刚度；Fi为骨架曲线第i个点的荷载；Δi为骨架曲线第i个点的位移值。

图12 给出了加固前后试件水平刚度随位移幅值变化的情况。从图12（a）-图12（f）可见：试件加固后比加固前侧向刚度总体略有提升，随着水平位移的逐渐增加，侧向刚度逐渐降低。进一步观察图12（g）发现：随着钢筋锈蚀率的增加，普通箍筋加固试件的刚度逐渐降低，而试件RA1 由于横向预应力约束的施加刚度却出现了轻微反弹。图12（h）表明：锈蚀位置上移，试件的侧向刚度增大。图12（i）表明：轴压比增大，加固后试件的侧向刚度增大。

图12 试件加固前后刚度曲线对比Fig.12 Comparison of Stiffness Curve before and after Reinforcement

2.6 试件耗能分析

在试件的数据分析中，采用等效粘滞阻尼系数来评价构件的耗能能力［13］。等效黏滞阻尼系数值越大，表明结构的耗能性能越好，参照图13等效黏滞阻尼系数he的计算式见式（3）：

图13 粘滞阻尼系数定义图示Fig.13 Definition of viscous damping coefficient

式中：A为滞回环ABCDE的面积；SOBF为三角形OBF的面积；SODG为三角形ODG的面积。

各个试件的等效粘滞阻尼系数对比情况如图14 所示。从图中可见：各个试件的等效粘滞阻尼系数均呈现先减小后增大的现象，在水平位移加载到约20 mm 之前时先减小，而后出现拐点并持续增大。观察各个试件加固前后的情况，从图14（a）-图14（d）可见：在同等位移幅值情况下，小于15%锈蚀率试件耗能能力与加固前较为接近，大于15%试件则有显著下降趋势。结合图14（g），可进一步发现0%～15%锈蚀率下加固墩（RA0～RA2）的耗能能力递减幅度不大，而锈蚀率达到25%时（RA3）耗能能力却出现了大幅衰退，曲线斜率明显变缓。图14（h）表明：随锈蚀位置提高，试件的耗能能力增大。与加固前轴压比大则耗能能力减弱的明显特征不同，加固后试件的耗能能力在主体中间加载区段较为接近。