UHPC连接预制拼装桥墩拟静力试验

2022-07-26段昕智徐文靖李建中

结构工程师 2022年3期

段昕智徐文靖李建中

（1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生态工程技术研究中心，上海 200031；3.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092）

0 引言

随着国家经济的持续快速发展，城市化进程的不断加快，城市基础设施特别是城市桥梁的建设备受关注。同传统的公路桥梁建设相比，城市桥梁在建设期间更加关注施工对城市交通的影响、施工场地的安全性、施工噪声和对周围环境污染等社会问题。预制拼装技术由于具有施工时对城市交通干扰小、现场施工工期短、施工噪声低污染小等优点[1-2]，较好地解决了城市桥梁建设所需的特殊要求，在现在城市桥梁建设中得到越来越广泛的应用。

伴随着预制拼装技术的蓬勃发展，新材料的诞生成为了提高土木工程结构性能的重要途径和手段，利用高性能新材料提高预制拼装结构性能的研究已经成为时下的研究热点[3]。在当下众多的新材料中，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）因其优异的力学性能和耐久性，备受国内外研究学者的关注[4]。UHPC是一种新型水泥基复合材料，由水泥、石英粉、细沙、硅粉、高效减水剂和钢纤维组成[5]。不同于传统的混凝土材料，UHPC在抗拉压强度、耐腐蚀性、抗疲劳性、耐久性以及抗冻性等方面具有较优的性能[6]。研究表明，UHPC的抗压强度可达到150～800 MPa，弹性模量在40～50 GPa，抗折强度可达30～60 MPa[7]。钢纤维的掺入，使UHPC的韧性和强度得到了极大的提高[8]，同时，加入钢纤维可以有效限制裂缝的开展，增强钢筋与混凝土之间的黏结作用，从而缩短钢筋在混凝土中的锚固长度[9]。

目前，UHPC在桥梁预制拼装领域得到了广泛应用。采用UHPC材料的预制拼装桥梁，不仅能满足预制构件大批量、标准化的生产要求，还能进一步提高结构性能，优化结构尺寸。李立峰等[10]提出了一种全预制轻型预应力UHPC大悬臂薄壁盖梁结构并进行了相关试验研究，结果表明，新型UHPC预制盖梁具有良好的变形和受力性能，且自重减轻40%左右。Zhang等[11]将UHPC用于预制钢筋混凝土框架接缝处，试验结果表明，预制钢筋混凝土框架接缝处采用UHPC不仅能较好地实现接缝连接，同时利用UHPC较强的黏结锚固特性可以显著的减少接缝处的箍筋数量和钢筋的锚固长度。Tazarv等[12]提出可将UHPC作为波纹管连接预制拼装桥墩的波纹管灌浆料，并通过单向拟静力试验证明，采用UHPC灌浆的金属波纹管连接可靠，其桥墩整体的抗震性能与整体现浇桥墩接近。

尽管UHPC已在桥梁预制拼装领域得到了较多运用，但研究成果主要集中在桥梁上部结构，对UHPC在桥梁下部结构即桥墩与承台之间的连接研究较少，对UHPC连接预制拼装桥墩抗震性能的研究较为匮乏。本文根据某座典型城市高架桥，设计了一个采用UHPC连接的预制拼装桥墩试件和一个同等尺寸的整体现浇桥墩试件进行大比例尺缩尺拟静力试验研究。通过试验分析了采用UHPC连接的预制拼装桥墩在水平往复荷载作用下的受力性能，同时与整体现浇桥墩进行对比，分析比较了采用UHPC连接的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩的抗震性能差异，为UHPC连接预制拼装桥墩在实际桥梁工程中的运用提供参考依据。

1 UHPC连接桥墩设计与试验

1.1 连接构造设计

本文依据某典型高架桥建造设计，采用UHPC灌浆实现预制拼装桥墩的连接，具体连接构造如图1所示。桥墩整体分为两部分预制，分别为盖梁与桥墩整体预制和承台单独预制，预制时桥墩墩底和承台表面分别预留一定长度的搭接钢筋，通过预留的搭接钢筋进行桥墩与承台的拼装。待桥墩拼装完成后，往预留的灌浆孔内灌注抗压强度为180 MPa的UHPC，待UHPC达到强度后，完成桥墩与承台的连接。在该连接构造中，桥墩和承台的预留钢筋搭接长度为15倍钢筋直径，与传统的普通混凝土钢筋搭接长度相比，约减小了60%，这是因为UHPC较强的黏结锚固性能可以有效地缩短钢筋的搭接长度。同时，UHPC自身具有快硬早强的优异性能，可以显著地缩短施工工期，使桥墩可尽快地投入到实际使用中。

图1 UHPC连接构造Fig.1 UHPC connection structure

1.2 试件设计

1.2.1 试件尺寸构造

为进一步研究UHPC连接预制拼装桥墩在往复荷载作用下的受力性能，以上一节构造设计中的典型高架桥为原型，设计了1∶2.5的大比例缩尺模型进行试验，其尺寸如图2所示。模型试件总高度为6 300 mm，盖梁尺寸为3 000 mm×960 mm×900 mm，立柱截面尺寸为800 mm×960 mm，墩底扩大截面尺寸为1 080 mm×1 240 mm，承台尺寸为2 400 mm×2 400 mm×600 mm，试件加载中心到墩底距离为5 250 mm，试件的剪跨比为5.5。盖梁、立柱和承台混凝土的强度等级均为C40。立柱截面配筋如图3所示，主筋采用直径32 mm的HRB400热轧带肋钢筋，配筋率1.5%，箍筋采用直径10 mm的HRB400热轧带肋钢筋，体积配箍率为1.1%。墩底预留搭接钢筋长度为470 mm，约为15倍钢筋直径长度。在墩底扩大截面段，预埋了直径80 mm的PVC管，便于之后灌入强度为180 MPa的UHPC灌浆料。试验中同时设计了一个尺寸与配筋同UHPC连接桥墩完全一致的整体现浇桥墩试件，作为参照模型，进一步对比分析UHPC连接预制拼装桥墩的抗震性能。

图2 UHPC试件尺寸图（单位：mm）Fig.2 Diagram of UHPC connection test model（Unit：mm）

图3 立柱截面配筋图（单位：mm）Fig.3 Reinforcement arrangement of UHPC connection test model（Unit：mm）

1.2.2 试件施工工艺

试件制作时首先进行盖梁与桥墩立柱整体预制，承台单独预制，预制时分别在桥墩立柱底部和承台顶部连接处预留搭接钢筋，待预制构件达到强度后，运至桥位处利用预留的搭接钢筋进行桥墩立柱与承台的拼装，拼装完成后，通过预留灌浆孔灌入UHPC，实现试件整体的连接。具体的施工流程如图4所示，先绑扎钢筋笼，然后预制模板浇筑混凝土，待混凝土达到强度后进行拼装，最后灌入UHPC实现桥墩与承台的整体连接。

图4 施工流程图Fig.4 Production process of the UHPC connection specimen

1.3 试验加载装置及加载方案

1.3.1 加载装置

UHPC连接预制拼装桥墩的拟静力试验加载装置如图5所示，试件的竖向荷载通过两个竖向随动缸对称施加在试件横梁上，在加载过程中，竖向随动缸表面与试件横梁表面紧密贴合，以保证加载过程中竖向荷载恒定不变。试件的水平循环荷载通过一个水平作动器施加直至试件达到破坏状态。

图5 试验加载装置Fig.5 Loading device

1.3.2 加载制度

试件同时承受竖向荷载与单向水平循环荷载，并加载至破坏。在加载过程中，竖向轴压荷载保持不变，轴压比与原桥一致为15%。水平荷载施加时采用先力控制、后位移控制的加载方法。力控制阶段，水平力由50 kN每隔100 kN增加直至桥墩立柱主筋接近屈服；主筋屈服后转为位移控制加载，设定每个荷载等级位移加载幅度为30 mm，墩底位移由30 mm开始加载直至桥墩达到破坏状态。每级荷载均采用3次循环加载[13]，每次循环加载到最大力（位移）时持载，观察试验现象并记录试验数据，具体加载制度如图6所示。

图6 加载制度Fig.6 Applied cyclic loading protocol

1.3.3 试验量测内容

具体的途径可以是通过“STEM”课程，此类跨学科的综合性课程，不仅突出了科学知识的整体性，而且帮助学生加深对科学本质的理解。再者，可结合科学史(如植物的向光性、光合作用过程等)带领学生学习科学家的科学思维方法，尝试分析每个科学探究过程的原理，有利于培养学生的科学情感。不可忽视的是，生物学中的实验是重要的教学内容。通过探究教学模式，设置提出问题、建立假说、设计研究方案、检验假说、表达或交流结果等环节，帮助学生加深对实验的整体认识，在设计中提升思维品质的创造性和灵活性，在分析中提升批判性和深刻性，多维度综合培养学生的科学思维。

在试验中，测量项目主要包括水平和竖向作动器的力、墩顶位移、钢筋应变和墩身裂缝宽度。

各量测装置布置如图7所示，试件的水平力通过水平作动器数据采集得到，采集频率为5 Hz；竖向力通过竖向作动器数据采集得到，采集频率为1 Hz。桥墩墩顶的水平位移通过量程为±500 mm的拉线式位移计测量得到。同时为了在试验中实时监测钢筋的应变变化，模型制作时在钢筋表面布置了应变片。在本次试验中，墩底连接处为主要观测位置，同时对于单柱墩，桥墩的弯曲破坏通常发生在墩底，因此在立柱底部1 650 mm范围内沿立柱高度方向每隔150 mm布置1片应变片，如图7所示。

图7 测点布置图Fig.7 Arrangement of measure point

2 试验结果和分析

2.1 材料特性

本次试验中，UHPC连接预制拼装桥墩试件的盖梁、立柱、承台以及整体现浇桥墩试件均采用C40商品混凝土，实测弹性模量3.87×104MPa，抗压强度44 MPa。连接处填充的灌浆料采用钢纤维含量2%的UHPC，其实测弹性模量4.42×104MPa，抗压强度173 MPa。两个试件采用的钢筋均为HRB400热轧带肋钢筋，其名义屈服强度为400 MPa，极限强度为540 MPa。

2.2 试验现象和破坏模式

试验开始后，先通过竖向作动器进行轴向加载，达到预设的轴压保持不变，后根据加载制度，进行水平往复荷载逐级加载，直至桥墩破坏，试验终止。整个加载过程中，UHPC连接预制拼装桥墩试件与整体现浇桥墩试件的损伤发展过程基本一致，最终的破坏模式相同。

在力控制加载初期，UHPC连接的预制拼装桥墩试件与整体现浇桥墩试件均处于弹性阶段，两个试件均在墩底扩大段上方的立柱等截面段（距离墩底约1 000 mm范围内）有受拉裂缝产生，此时UHPC连接预制拼装桥墩试件的墩底接缝处良好，无损伤现象。在力控制加载后期，两个试件的墩底主筋接近屈服，此时荷载加载方式由力控制加载转换为位移控制加载，当加载位移为30 mm时，两个试件的墩底主筋应变约2 000 με，试件达到屈服状态。

当加载位移达到120 mm时，两个试件的立柱等截面段出现混凝土破落现象，如图8所示。从图中可以看出，两个试件的混凝土破落位置均位于墩底扩大段上方的等截面段，而墩底的扩大段截面只出现轻微裂缝，并未发生损伤，UHPC连接预制拼装桥墩的接缝连接完好。

图8 加载位移为120 mm工况Fig.8 Loading displacement of 120 mm

图9 最终破坏模式Fig.9 Final failure mode

2.3 滞回特性

荷载位移滞回曲线反应了结构的延性变形能力、滞回耗能能力等，是评价结构基本抗震性能的重要指标，可根据滞回环的形态判断试件的破坏机制。两个试件实测的水平力—墩顶位移滞回曲线如图10所示，可以看出，两个试件的滞回曲线形状相似，较为饱满。在加载初期，试件处于弹性阶段，滞回环较为集中；到加载后期，随着混凝土裂缝出现、钢筋屈服，滞回环面积扩大，逐渐呈现扁平的四边形。当加载位移达到250 mm时，整体现浇桥墩的水平承载力下降显著；当加载位移达到300 mm时，UHPC连接的预制拼装桥墩水平承载力下降到峰值承载力的85%以下。

图10 滞回曲线对比Fig.10 Comparison of hysteretic curves

2.4 骨架曲线

骨架曲线是由每级加载的滞回环峰值点连接而来，是滞回曲线的包络线，能够明显的反映构件的初始刚度、屈后刚度和最大加载力等抗震指标[13]。UHPC连接预制拼装桥墩和整体现浇桥墩的骨架曲线比较如图11所示。两个试件的初始刚度基本一致，当加载位移达到100 mm左右时，两个试件的水平承载力达到最大值，其中整体现浇桥墩的水平承载力峰值为516 kN，UHPC连接预制拼装桥墩的水平承载力峰值为506 kN，两者仅相差7 kN，说明两个试件具有相同的水平承载能力。同时从图中可以看出，两个试件的极限漂移率（试件的墩顶位移与试件加载高度之比）略有差别，UHPC连接预制拼装桥墩的极限漂移率比整体现浇桥墩高20%，表明UHPC连接的预制拼装桥墩具有较高的位移承载能力。

图11 骨架曲线对比Fig.11 Comparison of skeleton curves

2.5 残余位移

试件在加载和卸载至零的过程中所产生不可恢复的塑性位移即残余位移，对应到每级循环的卸荷过程中，当作动器水平力卸荷为零时，此时墩顶位移即为当级加载水平下对应的残余位移，而残余漂移比则为试件的残余位移与试件的加载高度之比。图12给出了两个试件的残余漂移比随墩顶位移的变化情况。从图中可以看出，但墩顶加载位移小于50 mm时，两个试件几乎没有残余位移；当墩顶加载位移超过50 mm时，两个试件的残余漂移比随着墩顶位移的增加而显著增大，两个试件的变化趋势一致，表明两个桥墩的残余位移特性基本相同。

图12 残余位移对比Fig.12 Comparison of residual displacements

2.6 等效黏滞阻尼比

结构的耗能能力指外荷载作用下结构所能吸收能量的能力，研究结构的耗能能力是评价结构抗震性能的重要方法，结构耗散的能量越多，对结构的抗震安全性越有利。评价结构耗能能力的指标很多，本次分析中采用等效黏滞阻尼比ξeq表示结构加载过程中耗散能量的能力，ξeq越大，结构在地震作用下耗能的能力越大，抗震性能越好。等效黏滞阻尼比的计算公式如下[14]：

式中：Ah为单圈滞回循环耗散的能量；Ae为结构的弹性变形能，其计算示意如图13所示。

图13 等效黏滞阻尼比计算简图Fig.13 Diagram of equivalent viscous damping ratio calculation

两个试件的等效黏滞阻尼比随加载位移的变化情况如图14所示。两个试件的等效黏滞阻尼比随墩顶位移的变化趋势一致，加载初期，试件处于弹性阶段，结构的等效黏滞阻尼比较小；随着加载位移的增加，试件的等效黏滞阻尼比增大，试件耗能能力增强。加载结束时，UHPC连接预制拼装桥墩和整体现浇桥墩的等效黏滞阻尼比分别为30.04%和27.96%，这表明采用UHPC连接预制拼装桥墩可以使桥墩的耗能能力达到甚至略超过整体现浇桥墩的耗能能力。

图14 等效黏滞阻尼比对比Fig.14 Comparison of equivalent viscous damping ratio

2.7 标准化等效刚度

试件刚度在加载过程中一直随着加载位移的变化而变化，标准化等效刚度ηk是一个可以清晰反应试件刚度变化程度的重要指标。标准化等效刚度是指试件的等效刚度与试件的初始刚度之比，反映了桥墩等效刚度的退化情况，标准化等效刚度越小，说明桥墩刚度退化越严重，其计算公式如下：

式中：K0为试件的初始刚度，等于试件的初始屈服力与屈服位移之比；Keff为试件的等效刚度，即为给定加载等级下的水平力与试件的侧向位移之比。

依据试验结果可计算得到UHPC连接预制拼装桥墩和整体现浇桥墩的初始刚度分别为9.818 kN/mm和9.389 kN/mm，因UHPC高密度高弹性模量的特性，致使UHPC连接预制拼装桥墩的初始刚度大于整体现浇桥墩的初始刚度。图15给出了两个试件的标准化等效刚度随加载位移变化的曲线图。从图中可以看出，在加载初期，试件未发生损伤，预制拼装桥墩试件因墩底UHPC的影响，其刚度退化较整体现浇桥墩而言较小；当加载后期，桥墩发生损伤后，因两个试件最终的破坏损伤位置一致，两个试件最终的刚度退化程度趋于一致，当加载位移为250 mm时，UHPC连接预制拼装桥墩与整体现浇桥墩的标准化等效刚度为0.17和0.15。