UHPC连接预制节段桥墩抗震性能拟静力试验研究

2023-11-25巩茂康米家禾亓兴军王宁宁杨宇

结构工程师 2023年5期

巩茂康米家禾亓兴军，* 王宁宁杨宇

（1.济南金曰公路工程有限公司，济南 250220； 2.山东建筑大学交通工程学院，济南 250101；3.湖南中路华程桥梁科技股份有限公司，湘潭 411100）

0 引言

在我国，桥梁上部结构的预制化生产已经形成相对成熟的体系［1-2］。而对于下部结构，如何在快速、高质量的预制化施工中，确保预制拼装桥墩的高承载力和良好抗震性能是学者们研究的热点。目前对于预制节段拼装桥墩的研究重点在接缝处连接构造上，国内外学者对不同节段接缝形式［3-5］以及在接缝处设置不同耗能装置［6-7］进行研究。

UHPC（超高性能混凝土）是具有高强度、高韧性、高耐久度的工程材料，在预制节段拼装桥墩中主要应用于充当灌浆料或优化墩柱［8］。张阳和王兴旺［9］研究UHPC加固混凝土结构后的抗剪承载力、延性等力学性能，结果表明：UHPC加固整体式结构，其交界面抗剪强度高、耐久性好，并且对构件进行植筋处理，将进一步提高构件的稳定性及延性；Saleem等［10］、Dagenais等［11］对UHPC作为灌浆料与钢筋的黏结效果进行研究，结果表明使用UHPC可以在较短的钢筋搭接长度保证预制节段的连接；Mohebbi等［12-13］分别将UHPC作为承插凹槽处的灌浆料和墩柱塑性铰区材料，研究UHPC对不同预制拼装桥墩抗震性能的影响，结果表明，UHPC充当凹槽灌浆料时能极大提高接缝处黏结性能，并且可以有效地防止屈曲并消除传统钢筋混凝土柱在地震荷载作用下常见的低周疲劳失效，UHPC作为塑性铰区材料时提升了墩柱延性和刚度。

预制节段拼装桥墩虽然具有良好的力学性能和施工优势，但是仍然存在延性和震后功能可恢复性上的不足，使其工程应用仅局限在地震低烈度区。对此，本文提出一种使用UHPC连接的预制节段拼装方式——UHPC预制节段连接。设计制作UHPC连接预制节段试件和整体现浇试件进行拟静力试验，对比二者承载力、延性、刚度、耗能、残余变形等抗震性能指标，对UHPC连接预制节段试件的抗震性能进行评价，为工程应用提出合理建议。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验包括2种不同构造类型的单柱墩。钢筋混凝土试件（整体式）为现场整体浇筑的普通钢筋混凝土试件。UHPC连接预制节段试件（装配式）构造如图1所示，其构造特点是：预制上、下墩柱节段和承台通过UHPC-搭接钢筋连接成整体。在构件设计时，UHPC后浇厚度不得小于10 cm，其目的是保证搭接钢筋段的保护层厚度，钢筋搭接长度不小于10倍纵筋直径才可保证预制节段连接，因此UHPC段高度应大于12倍纵筋直径，相邻搭接钢筋间距应大于灌浆料内钢纤维长度的2倍，以保证UHPC-钢筋的黏结效果；在构件制作时，将上、下预制墩柱节段内纵筋预留出搭接长度；上下节段连接时，将两节段预留钢筋交错搭接并支设模板，通过注浆孔注入UHPC灌浆料；待UHPC终凝后起吊墩柱，将承台预留钢筋与墩柱预留钢筋交错搭接，其间墩柱节段缩进段可提供临时支撑作用，方便在搭接钢筋外围设置临时模板，最终采用UHPC完成预制构件连接。该连接方式方便快捷，大大减小预制构件运输压力，浇筑时UHPC的早强性对施工速度的提升也十分显著。

图1 UHPC连接预制节段桥墩构造图Fig.1 Construction of the precast segmental bridge column

两种试件具有相同的截面尺寸和钢筋配筋参数。本次试验装配式试件具体尺寸如图2（a）所示，其中墩柱与承台均采用C40级混凝土，灌浆料采用UHPC。试件配筋和主要设计参数见图2（b）、图2（c）和表1，其中整体式试件和装配式试件纵筋选用φ16 mm的HRB400螺纹钢筋，箍筋和拉筋选用φ8 mm的HRB400螺纹钢筋，箍筋外净保护层厚度约为28 mm；两试件配筋率一致但用钢量不同，这是由于装配式试件在节段连接时存在钢筋搭接段，搭接长度为10d（d为纵筋直径）；在装配式试件中，下节段箍筋间距设为60 mm，上节段间距为100 mm，在整体式试件中对应相同高度的箍筋进行加密。

表1 试件主要设计参数Table 1 Main design parameters of components

图2 试件尺寸与配筋（单位：mm）Fig.2 Specimen size and reinforcement diagram （Unit： mm）

1.2 试件材料特性

试验采用强度等级为C40的自拌混凝土，测试试块力学性能的混凝土与浇筑试件时的混凝土为同一批次。分别测得整体式、装配式的混凝土立方体抗压强度均值为47.21 MPa、45.05 MPa。

在制作试件钢筋笼时取样得到测试力学性能所用的钢筋，通过拉伸试验测得HRB400纵筋的屈服强度为439.1 MPa，极限强度为603.9 MPa。

连接节段湿接缝所用的灌浆料采用湖南中路华程桥梁科技股份有限公司的UC20J超高性能混凝土。根据《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448—2015）要求灌浆料力学性能，测试力学性能所用UHPC试块在节段湿接缝施工时取样，试验制作3个试块，破坏模式如图3所示。在养护3 d时试块抗压强度均值为85.34 MPa，在养护28 d时试块抗压强度均值为113.17 MPa，总收缩率小于200 με，均符合规范要求。

图3 UHPC试块破坏模式Fig.3 Failure mode of UHPC specimen

1.3 加载方案

试验采用100 t的MTS液压伺服作动器进行拟静力加载试验，加载设备如图4所示。在考虑桥墩延性设计情况下，混凝土桥墩轴压比一般小于0.3［14］，本次试验轴压比保持在0.1。通过计算，墩柱顶部需要施加的竖向恒载为376 kN，利用竖向千斤顶提供稳定的轴向力直到试验结束，模拟实桥中上部结构传递给下部结构的竖向力。

图4 试验加载设备Fig.4 Experiment loading equipment

水平加载采用控制位移加载方式，在东西方向往复加载，加载制度如图5所示，前10级荷载逐级增加2 mm，10级后逐级增加5 mm，16级荷载以后每级增加10 mm。加载速度为0.5 mm/s，采样频率为20 Hz，每级荷载循环3次，加载至试件强度达到最大强度的85%，结束加载。

图5 加载制度Fig.5 Loading system

2 试验现象描述

2.1 整体式试件破坏现象描述

当加载偏移率为0.28%（6 mm）时，距墩底30～50 cm处开始出现细微裂缝，开裂荷载约为36.41 kN；加载偏移率到0.47%（10 mm）时，墩底开裂；在加载偏移率为0.84%（18 mm）时，墩底主筋最大应变达到2 200 με，钢筋屈服；当加载偏移率为1.63%（35 mm）时，墩底裂缝贯穿墩底四面；偏移率增至2.10%（45 mm）时，柱脚出现混凝土压碎剥落现象；偏移率达到2.80%（60 mm）时，试件墩底混凝土大量压碎，加载过程中伴有钢筋滑移声响；当加载偏移率达到4.65%（100 mm）时，承载力下降到82.44 kN，低于最大承载力的85%，试验结束。

整体式试件试验完成后清除承台上破碎混凝土，得到如图6所示的最终破坏状态，可以看出：墩底混凝土最大剥落高度达45 cm，即0.11D（D为试件沿加载方向截面高度）。东西两侧墩底混凝土保护层均压碎剥落，箍筋及主筋外露，墩底主筋屈曲。

图6 整体式试件破坏现象Fig.6 Phenomenon of destruction of RC specimen

2.2 装配式试件破坏现象描述

当加载偏移率为0.28%（6 mm）时，下节段UHPC上接缝附近开始出现细微裂缝，开裂荷载约为41.23 kN；加载偏移率到0.37%（8 mm）时，墩底UHPC和承台接缝处开裂；在加载偏移率为0.56%时，下节段UHPC上接缝上部出现多条新裂缝，柱角下节段UHPC下接缝出现少量混凝土起皮；偏移率为0.84%（18 mm）时，墩底裂缝贯穿墩底四面，墩底主筋屈服；当偏移率到0.93%（20 mm）时，下节段UHPC的上接缝裂缝贯穿墩底四面，上节段UHPC的下接缝出现贯穿裂缝；在加载偏移率为1.40%（30 mm）时，墩底和承台接缝开始微微掀起，下节段UHPC上接缝出现起皮现象；当加载偏移率到2.33%（50 mm）时，墩底和承台接缝张开约6 mm，柱脚UHPC开始出现少量剥落；当加载偏移率达到5.12%（110 mm）时，由于墩柱整体倾斜角度过大，出于安全考虑，结束试验，虽然装配式试件未达到极限荷载，但承载力在2.33%的加载偏移率后持续下降，最终承载力下降到93.28 kN，约为最大承载力的88.86%。

装配式试件试验完成后清除承台上破碎混凝土和下节段剥落的UHPC，得到如图7所示的最终破坏状态，可以看出：墩柱底部少量UHPC接缝处完全贯穿，在下节段UHPC的上接缝处附近存在多条裂缝，裂缝最大宽度达到2.5 mm，说明装配式试件的破坏形式是墩底塑性铰上移后的延性损伤。加载过程中，试件内部多次传出异响，是由于节段处搭接钢筋与混凝土发生滑移破坏，试验结束后墩底处纵筋屈服，但未明显外露。

图7 装配式试件破坏现象Fig.7 Phenomenon of destruction of specimen

2.3 破坏现象对比

从试验现象来看，整体式试件裂缝集中在墩柱加载面的塑性铰区域，并随着荷载等级的提升，出现裂缝产生高度逐渐升高的趋势，整体式试件最终呈现以弯曲破坏为主的延性破坏，并且墩底混凝土在往复荷载作用下大面积压溃剥落；装配式试件未出现墩底钢筋保护层压碎现象，其试件破坏过程可分为三个阶段：下节段UHPC与承台接缝未开裂前，试件损伤表现为塑性铰上移后的弯曲变形，在两节段UHPC之间混凝土出现细微裂缝；下节段UHPC与承台接缝开裂后，试件损伤主要集中于墩底接缝附近，裂缝持续张开闭合；在墩底接缝完全贯穿后，塑性铰处塑性损伤快速积累，墩身裂缝宽度持续增大。最终破坏现象是下节段UHPC上下接缝的完全张开，柱角和接缝处少量UHPC剥落，部分承台混凝土被压碎。

3 试验结果对比分析

3.1 荷载-位移滞回曲线

在上述加载制度下，得到两试件的水平荷载-位移滞回曲线，如图8所示，可知：在加载初期，试件均处于弹性变形阶段，水平等效刚度大，滞回曲线分布集中；随着水平位移增大，整体式试件的滞回曲线逐渐呈现“梭形”，曲线比较饱满，反映出整体式试件具有良好的塑性变形能力和抗震性能；装配式试件随着荷载等级的提升，底部UHPC节段接缝处开裂、张开等损伤随之产生，装配式试件滞回曲线逐渐呈现“梭形”，但捏拢效应相较于整体式试件更加明显，并且曲线中存在多处不平滑点，说明装配式试件的滞回耗能能力较弱，易受到更大的钢筋滑移影响。整体式试件的滞回曲线在达到最大承载力后出现明显的强度退化段，而装配式试件的滞回曲线强度退化较为平稳。

图8 荷载-位移滞回曲线Fig.8 Hysteresis curves

3.2 骨架曲线

图9是两试件骨架曲线对比，骨架曲线可以直观地反映出试件的初始刚度、屈服位移、极限位移、延性系数等抗震指标。其中屈服点通过通用屈服弯矩法［15］确定，极限荷载是取承载力下降到最大承载力85%时的荷载值。延性系数是评定结构抗震能力优劣的重要指标，按照式（1）计算，式中：Δμ为极限位移；Δy为屈服位移。装配式试件由于倾斜角过大，考虑到加载安全问题只加载到110 mm（偏移率为5.12%），未能达到其峰值荷载的85%，故将试验最后一级加载的最大荷载作为极限荷载。

图9 骨架曲线对比Fig.9 Skeleton curves

表2是两条骨架曲线力学性能参数的对比，由此可知：装配式试件的屈服荷载、峰值荷载、极限荷载相较于整体式试件分别高出1.31%、1.03%、5.60%，说明装配式试件承载力基本等同于整体现浇试件，但是屈服位移、峰值位移均低于整体式试件，主要原因是：装配式试件墩底UHPC节段耐久性和抗拉性能优异，因此墩柱损伤容限大，刚度保持能力较强，装配式试件会更早达到屈服点和峰值点；并且极限位移高出整体式试件21.65%。计算对比两试件延性系数可以发现：装配式试件的延性系数远高于整体式试件，说明使用UHPC进行节段连接可以有效约束和保护核心混凝土及纵筋，提高试件延性性能。

表2 骨架曲线力学性能参数Table 2 Mechanical properties parameters of skeleton curve

3.3 刚度退化

初始刚度K0是骨架曲线在原点上的切线斜率，等效刚度Ks是在骨架曲线上任意一点与坐标原点的连接的直线斜率。为了更直观地反映应试件刚度退化情况，用刚度退化系数η来对比两试件刚度退化情况，公式如下：

图10是两试件刚度退化曲线对比，可以看出在试验加载全过程中装配式试件刚度退化系数略大于整体式试件，说明装配式试件具有较强的刚度保持能力，随着墩顶侧向位移的增大，试件损伤加剧，整体式试件墩底混凝土大量压溃，使得刚度退化速率增大，而UHPC抗拉压强度远高于普通混凝土，因此装配式试件在往复加载时墩底UHPC仅出现少量剥落，其刚度退化曲线更平缓。

图10 刚度退化曲线Fig.10 Degradation curves of stiffness

3.4 耗能能力

图11是两试件每级加载时的峰值位移耗能曲线和累计耗能对比，可以看出：在加载位移达到20 mm（偏移率为0.93%）之前，两试件耗能能力几乎相同，但随着荷载等级的继续升高，耗能能力出现了较大差异，在达到整体式试件极限位移时耗能能力相差最大，此加载等级下装配式试件的耗能是整体式试件的73.28%；但从整体累计耗能来看，两试件耗能总量基本持平。对此，可通过外置耗能装置来弥补装配式试件耗能能力的不足。

图11 耗能能力Fig.11 Energy consumption capacity

3.5 残余位移

选取三次循环滞回曲线与X轴的交点坐标，求得残余位移平均值。两试件的残余位移对比如图12所示，其中装配式试件与整体式试件在滞回位移小于20 mm（偏移率为0.93%）时残余变形差别不大，随着荷载等级的继续增大，在相同滞回位移下装配式试件的残余位移逐渐小于整体式试件，在达到整体式试件极限位移时，装配式试件正负向平均残余位移仅为整体式试件的58.02%，其原因是节段连接处UHPC提高了墩柱损伤容限，并且装配式试件墩底接缝处截面配筋率是整体式试件的两倍，大大减小了钢筋滑移破坏。

图12 残余位移Fig.12 Residual displacement

3.6 曲率分析

在拟静力试验中，在垂直于负向加载面布置水平位移计，用于测量装配式桥墩在各级荷载作用下的残余位移和曲率分布变化。图13为部分加载等级下墩身曲率，由图可知：加载等级较低时，墩柱变形小，试件处于弹性阶段；随着荷载的增大，在距墩底0.1D（50 mm）内曲率较大，曲线变化明显，说明装配式试件墩底接缝处较薄弱，在往复荷载作用下不断张开闭合，导致损伤逐渐累积；在距墩底0.5D（200 mm）高度附近，曲率大幅度降低，这是由于UHPC灌浆料增大墩柱局部刚度，大大提升了墩底潜在塑性铰区域抵抗变形能力，因此塑性铰移至UHPC下节段接缝上部，结合裂缝产生位置判断墩柱塑性铰位于距墩底1.0D（400 mm）高度附近处。