UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩擬靜力試驗

段昕智 徐文靖 李建中

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 200031；3.同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，城市化進程的不斷加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施特別是城市橋梁的建設(shè)備受關(guān)注。同傳統(tǒng)的公路橋梁建設(shè)相比，城市橋梁在建設(shè)期間更加關(guān)注施工對城市交通的影響、施工場地的安全性、施工噪聲和對周圍環(huán)境污染等社會問題。預(yù)制拼裝技術(shù)由于具有施工時對城市交通干擾小、現(xiàn)場施工工期短、施工噪聲低污染小等優(yōu)點[1-2]，較好地解決了城市橋梁建設(shè)所需的特殊要求，在現(xiàn)在城市橋梁建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

伴隨著預(yù)制拼裝技術(shù)的蓬勃發(fā)展，新材料的誕生成為了提高土木工程結(jié)構(gòu)性能的重要途徑和手段，利用高性能新材料提高預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)性能的研究已經(jīng)成為時下的研究熱點[3]。在當(dāng)下眾多的新材料中，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）因其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，備受國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注[4]。UHPC是一種新型水泥基復(fù)合材料，由水泥、石英粉、細沙、硅粉、高效減水劑和鋼纖維組成[5]。不同于傳統(tǒng)的混凝土材料，UHPC在抗拉壓強度、耐腐蝕性、抗疲勞性、耐久性以及抗凍性等方面具有較優(yōu)的性能[6]。研究表明，UHPC的抗壓強度可達到150～800 MPa，彈性模量在40～50 GPa，抗折強度可達30～60 MPa[7]。鋼纖維的摻入，使UHPC的韌性和強度得到了極大的提高[8]，同時，加入鋼纖維可以有效限制裂縫的開展，增強鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用，從而縮短鋼筋在混凝土中的錨固長度[9]。

目前，UHPC在橋梁預(yù)制拼裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用UHPC材料的預(yù)制拼裝橋梁，不僅能滿足預(yù)制構(gòu)件大批量、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)要求，還能進一步提高結(jié)構(gòu)性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。李立峰等[10]提出了一種全預(yù)制輕型預(yù)應(yīng)力UHPC大懸臂薄壁蓋梁結(jié)構(gòu)并進行了相關(guān)試驗研究，結(jié)果表明，新型UHPC預(yù)制蓋梁具有良好的變形和受力性能，且自重減輕40%左右。Zhang等[11]將UHPC用于預(yù)制鋼筋混凝土框架接縫處，試驗結(jié)果表明，預(yù)制鋼筋混凝土框架接縫處采用UHPC不僅能較好地實現(xiàn)接縫連接，同時利用UHPC較強的黏結(jié)錨固特性可以顯著的減少接縫處的箍筋數(shù)量和鋼筋的錨固長度。Tazarv等[12]提出可將UHPC作為波紋管連接預(yù)制拼裝橋墩的波紋管灌漿料，并通過單向擬靜力試驗證明，采用UHPC灌漿的金屬波紋管連接可靠，其橋墩整體的抗震性能與整體現(xiàn)澆橋墩接近。

盡管UHPC已在橋梁預(yù)制拼裝領(lǐng)域得到了較多運用，但研究成果主要集中在橋梁上部結(jié)構(gòu)，對UHPC在橋梁下部結(jié)構(gòu)即橋墩與承臺之間的連接研究較少，對UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩抗震性能的研究較為匱乏。本文根據(jù)某座典型城市高架橋，設(shè)計了一個采用UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩試件和一個同等尺寸的整體現(xiàn)澆橋墩試件進行大比例尺縮尺擬靜力試驗研究。通過試驗分析了采用UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩在水平往復(fù)荷載作用下的受力性能，同時與整體現(xiàn)澆橋墩進行對比，分析比較了采用UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩與整體現(xiàn)澆橋墩的抗震性能差異，為UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩在實際橋梁工程中的運用提供參考依據(jù)。

1 UHPC連接橋墩設(shè)計與試驗

1.1 連接構(gòu)造設(shè)計

本文依據(jù)某典型高架橋建造設(shè)計，采用UHPC灌漿實現(xiàn)預(yù)制拼裝橋墩的連接，具體連接構(gòu)造如圖1所示。橋墩整體分為兩部分預(yù)制，分別為蓋梁與橋墩整體預(yù)制和承臺單獨預(yù)制，預(yù)制時橋墩墩底和承臺表面分別預(yù)留一定長度的搭接鋼筋，通過預(yù)留的搭接鋼筋進行橋墩與承臺的拼裝。待橋墩拼裝完成后，往預(yù)留的灌漿孔內(nèi)灌注抗壓強度為180 MPa的UHPC，待UHPC達到強度后，完成橋墩與承臺的連接。在該連接構(gòu)造中，橋墩和承臺的預(yù)留鋼筋搭接長度為15倍鋼筋直徑，與傳統(tǒng)的普通混凝土鋼筋搭接長度相比，約減小了60%，這是因為UHPC較強的黏結(jié)錨固性能可以有效地縮短鋼筋的搭接長度。同時，UHPC自身具有快硬早強的優(yōu)異性能，可以顯著地縮短施工工期，使橋墩可盡快地投入到實際使用中。

圖1 UHPC連接構(gòu)造Fig.1 UHPC connection structure

1.2 試件設(shè)計

1.2.1 試件尺寸構(gòu)造

為進一步研究UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩在往復(fù)荷載作用下的受力性能，以上一節(jié)構(gòu)造設(shè)計中的典型高架橋為原型，設(shè)計了1∶2.5的大比例縮尺模型進行試驗，其尺寸如圖2所示。模型試件總高度為6 300 mm，蓋梁尺寸為3 000 mm×960 mm×900 mm，立柱截面尺寸為800 mm×960 mm，墩底擴大截面尺寸為1 080 mm×1 240 mm，承臺尺寸為2 400 mm×2 400 mm×600 mm，試件加載中心到墩底距離為5 250 mm，試件的剪跨比為5.5。蓋梁、立柱和承臺混凝土的強度等級均為C40。立柱截面配筋如圖3所示，主筋采用直徑32 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋，配筋率1.5%，箍筋采用直徑10 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋，體積配箍率為1.1%。墩底預(yù)留搭接鋼筋長度為470 mm，約為15倍鋼筋直徑長度。在墩底擴大截面段，預(yù)埋了直徑80 mm的PVC管，便于之后灌入強度為180 MPa的UHPC灌漿料。試驗中同時設(shè)計了一個尺寸與配筋同UHPC連接橋墩完全一致的整體現(xiàn)澆橋墩試件，作為參照模型，進一步對比分析UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能。

圖2 UHPC試件尺寸圖（單位：mm）Fig.2 Diagram of UHPC connection test model（Unit：mm）

圖3 立柱截面配筋圖（單位：mm）Fig.3 Reinforcement arrangement of UHPC connection test model（Unit：mm）

1.2.2 試件施工工藝

試件制作時首先進行蓋梁與橋墩立柱整體預(yù)制，承臺單獨預(yù)制，預(yù)制時分別在橋墩立柱底部和承臺頂部連接處預(yù)留搭接鋼筋，待預(yù)制構(gòu)件達到強度后，運至橋位處利用預(yù)留的搭接鋼筋進行橋墩立柱與承臺的拼裝，拼裝完成后，通過預(yù)留灌漿孔灌入UHPC，實現(xiàn)試件整體的連接。具體的施工流程如圖4所示，先綁扎鋼筋籠，然后預(yù)制模板澆筑混凝土，待混凝土達到強度后進行拼裝，最后灌入UHPC實現(xiàn)橋墩與承臺的整體連接。

圖4 施工流程圖Fig.4 Production process of the UHPC connection specimen

1.3 試驗加載裝置及加載方案

1.3.1 加載裝置

UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的擬靜力試驗加載裝置如圖5所示，試件的豎向荷載通過兩個豎向隨動缸對稱施加在試件橫梁上，在加載過程中，豎向隨動缸表面與試件橫梁表面緊密貼合，以保證加載過程中豎向荷載恒定不變。試件的水平循環(huán)荷載通過一個水平作動器施加直至試件達到破壞狀態(tài)。

圖5 試驗加載裝置Fig.5 Loading device

1.3.2 加載制度

試件同時承受豎向荷載與單向水平循環(huán)荷載，并加載至破壞。在加載過程中，豎向軸壓荷載保持不變，軸壓比與原橋一致為15%。水平荷載施加時采用先力控制、后位移控制的加載方法。力控制階段，水平力由50 kN每隔100 kN增加直至橋墩立柱主筋接近屈服；主筋屈服后轉(zhuǎn)為位移控制加載，設(shè)定每個荷載等級位移加載幅度為30 mm，墩底位移由30 mm開始加載直至橋墩達到破壞狀態(tài)。每級荷載均采用3次循環(huán)加載[13]，每次循環(huán)加載到最大力（位移）時持載，觀察試驗現(xiàn)象并記錄試驗數(shù)據(jù)，具體加載制度如圖6所示。

圖6 加載制度Fig.6 Applied cyclic loading protocol

1.3.3 試驗量測內(nèi)容

具體的途徑可以是通過“STEM”課程，此類跨學(xué)科的綜合性課程，不僅突出了科學(xué)知識的整體性，而且?guī)椭鷮W(xué)生加深對科學(xué)本質(zhì)的理解。再者，可結(jié)合科學(xué)史(如植物的向光性、光合作用過程等)帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)思維方法，嘗試分析每個科學(xué)探究過程的原理，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)情感。不可忽視的是，生物學(xué)中的實驗是重要的教學(xué)內(nèi)容。通過探究教學(xué)模式，設(shè)置提出問題、建立假說、設(shè)計研究方案、檢驗假說、表達或交流結(jié)果等環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生加深對實驗的整體認識，在設(shè)計中提升思維品質(zhì)的創(chuàng)造性和靈活性，在分析中提升批判性和深刻性，多維度綜合培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

在試驗中，測量項目主要包括水平和豎向作動器的力、墩頂位移、鋼筋應(yīng)變和墩身裂縫寬度。

各量測裝置布置如圖7所示，試件的水平力通過水平作動器數(shù)據(jù)采集得到，采集頻率為5 Hz；豎向力通過豎向作動器數(shù)據(jù)采集得到，采集頻率為1 Hz。橋墩墩頂?shù)乃轿灰仆ㄟ^量程為±500 mm的拉線式位移計測量得到。同時為了在試驗中實時監(jiān)測鋼筋的應(yīng)變變化，模型制作時在鋼筋表面布置了應(yīng)變片。在本次試驗中，墩底連接處為主要觀測位置，同時對于單柱墩，橋墩的彎曲破壞通常發(fā)生在墩底，因此在立柱底部1 650 mm范圍內(nèi)沿立柱高度方向每隔150 mm布置1片應(yīng)變片，如圖7所示。

圖7 測點布置圖Fig.7 Arrangement of measure point

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 材料特性

本次試驗中，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩試件的蓋梁、立柱、承臺以及整體現(xiàn)澆橋墩試件均采用C40商品混凝土，實測彈性模量3.87×104MPa，抗壓強度44 MPa。連接處填充的灌漿料采用鋼纖維含量2%的UHPC，其實測彈性模量4.42×104MPa，抗壓強度173 MPa。兩個試件采用的鋼筋均為HRB400熱軋帶肋鋼筋，其名義屈服強度為400 MPa，極限強度為540 MPa。

2.2 試驗現(xiàn)象和破壞模式

試驗開始后，先通過豎向作動器進行軸向加載，達到預(yù)設(shè)的軸壓保持不變，后根據(jù)加載制度，進行水平往復(fù)荷載逐級加載，直至橋墩破壞，試驗終止。整個加載過程中，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩試件與整體現(xiàn)澆橋墩試件的損傷發(fā)展過程基本一致，最終的破壞模式相同。

在力控制加載初期，UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩試件與整體現(xiàn)澆橋墩試件均處于彈性階段，兩個試件均在墩底擴大段上方的立柱等截面段（距離墩底約1 000 mm范圍內(nèi)）有受拉裂縫產(chǎn)生，此時UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩試件的墩底接縫處良好，無損傷現(xiàn)象。在力控制加載后期，兩個試件的墩底主筋接近屈服，此時荷載加載方式由力控制加載轉(zhuǎn)換為位移控制加載，當(dāng)加載位移為30 mm時，兩個試件的墩底主筋應(yīng)變約2 000 με，試件達到屈服狀態(tài)。

當(dāng)加載位移達到120 mm時，兩個試件的立柱等截面段出現(xiàn)混凝土破落現(xiàn)象，如圖8所示。從圖中可以看出，兩個試件的混凝土破落位置均位于墩底擴大段上方的等截面段，而墩底的擴大段截面只出現(xiàn)輕微裂縫，并未發(fā)生損傷，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的接縫連接完好。

圖8 加載位移為120 mm工況Fig.8 Loading displacement of 120 mm

圖9 最終破壞模式Fig.9 Final failure mode

2.3 滯回特性

荷載位移滯回曲線反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的延性變形能力、滯回耗能能力等，是評價結(jié)構(gòu)基本抗震性能的重要指標(biāo)，可根據(jù)滯回環(huán)的形態(tài)判斷試件的破壞機制。兩個試件實測的水平力—墩頂位移滯回曲線如圖10所示，可以看出，兩個試件的滯回曲線形狀相似，較為飽滿。在加載初期，試件處于彈性階段，滯回環(huán)較為集中；到加載后期，隨著混凝土裂縫出現(xiàn)、鋼筋屈服，滯回環(huán)面積擴大，逐漸呈現(xiàn)扁平的四邊形。當(dāng)加載位移達到250 mm時，整體現(xiàn)澆橋墩的水平承載力下降顯著；當(dāng)加載位移達到300 mm時，UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩水平承載力下降到峰值承載力的85%以下。

圖10 滯回曲線對比Fig.10 Comparison of hysteretic curves

2.4 骨架曲線

骨架曲線是由每級加載的滯回環(huán)峰值點連接而來，是滯回曲線的包絡(luò)線，能夠明顯的反映構(gòu)件的初始剛度、屈后剛度和最大加載力等抗震指標(biāo)[13]。UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩的骨架曲線比較如圖11所示。兩個試件的初始剛度基本一致，當(dāng)加載位移達到100 mm左右時，兩個試件的水平承載力達到最大值，其中整體現(xiàn)澆橋墩的水平承載力峰值為516 kN，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的水平承載力峰值為506 kN，兩者僅相差7 kN，說明兩個試件具有相同的水平承載能力。同時從圖中可以看出，兩個試件的極限漂移率（試件的墩頂位移與試件加載高度之比）略有差別，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的極限漂移率比整體現(xiàn)澆橋墩高20%，表明UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩具有較高的位移承載能力。

圖11 骨架曲線對比Fig.11 Comparison of skeleton curves

2.5 殘余位移

試件在加載和卸載至零的過程中所產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性位移即殘余位移，對應(yīng)到每級循環(huán)的卸荷過程中，當(dāng)作動器水平力卸荷為零時，此時墩頂位移即為當(dāng)級加載水平下對應(yīng)的殘余位移，而殘余漂移比則為試件的殘余位移與試件的加載高度之比。圖12給出了兩個試件的殘余漂移比隨墩頂位移的變化情況。從圖中可以看出，但墩頂加載位移小于50 mm時，兩個試件幾乎沒有殘余位移；當(dāng)墩頂加載位移超過50 mm時，兩個試件的殘余漂移比隨著墩頂位移的增加而顯著增大，兩個試件的變化趨勢一致，表明兩個橋墩的殘余位移特性基本相同。

圖12 殘余位移對比Fig.12 Comparison of residual displacements

2.6 等效黏滯阻尼比

結(jié)構(gòu)的耗能能力指外荷載作用下結(jié)構(gòu)所能吸收能量的能力，研究結(jié)構(gòu)的耗能能力是評價結(jié)構(gòu)抗震性能的重要方法，結(jié)構(gòu)耗散的能量越多，對結(jié)構(gòu)的抗震安全性越有利。評價結(jié)構(gòu)耗能能力的指標(biāo)很多，本次分析中采用等效黏滯阻尼比ξeq表示結(jié)構(gòu)加載過程中耗散能量的能力，ξeq越大，結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能的能力越大，抗震性能越好。等效黏滯阻尼比的計算公式如下[14]：

式中：Ah為單圈滯回循環(huán)耗散的能量；Ae為結(jié)構(gòu)的彈性變形能，其計算示意如圖13所示。

圖13 等效黏滯阻尼比計算簡圖Fig.13 Diagram of equivalent viscous damping ratio calculation

兩個試件的等效黏滯阻尼比隨加載位移的變化情況如圖14所示。兩個試件的等效黏滯阻尼比隨墩頂位移的變化趨勢一致，加載初期，試件處于彈性階段，結(jié)構(gòu)的等效黏滯阻尼比較小；隨著加載位移的增加，試件的等效黏滯阻尼比增大，試件耗能能力增強。加載結(jié)束時，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩的等效黏滯阻尼比分別為30.04%和27.96%，這表明采用UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩可以使橋墩的耗能能力達到甚至略超過整體現(xiàn)澆橋墩的耗能能力。

圖14 等效黏滯阻尼比對比Fig.14 Comparison of equivalent viscous damping ratio

2.7 標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度

試件剛度在加載過程中一直隨著加載位移的變化而變化，標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度ηk是一個可以清晰反應(yīng)試件剛度變化程度的重要指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度是指試件的等效剛度與試件的初始剛度之比，反映了橋墩等效剛度的退化情況，標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度越小，說明橋墩剛度退化越嚴重，其計算公式如下：

式中：K0為試件的初始剛度，等于試件的初始屈服力與屈服位移之比；Keff為試件的等效剛度，即為給定加載等級下的水平力與試件的側(cè)向位移之比。

依據(jù)試驗結(jié)果可計算得到UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩的初始剛度分別為9.818 kN/mm和9.389 kN/mm，因UHPC高密度高彈性模量的特性，致使UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的初始剛度大于整體現(xiàn)澆橋墩的初始剛度。圖15給出了兩個試件的標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度隨加載位移變化的曲線圖。從圖中可以看出，在加載初期，試件未發(fā)生損傷，預(yù)制拼裝橋墩試件因墩底UHPC的影響，其剛度退化較整體現(xiàn)澆橋墩而言較??；當(dāng)加載后期，橋墩發(fā)生損傷后，因兩個試件最終的破壞損傷位置一致，兩個試件最終的剛度退化程度趨于一致，當(dāng)加載位移為250 mm時，UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩與整體現(xiàn)澆橋墩的標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度為0.17和0.15。

圖15 剛度退化曲線對比Fig.15 Comparison of stiffness degeneration

3 結(jié) 論

本文開展了整體現(xiàn)澆橋墩和UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的單向擬靜力試驗，研究了UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的滯回特性和損傷發(fā)展過程，并與整體現(xiàn)澆橋墩進行了對比分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）在單向往復(fù)荷載作用下，采用UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩與整體現(xiàn)澆橋墩的破壞模式相同，先后經(jīng)歷了立柱等截面處混凝土開裂、鋼筋屈服和混凝土壓碎等破壞形態(tài)，最后破壞均為墩底擴大段上方等截面段的彎曲破壞，墩底擴大段區(qū)域均無明顯損傷。

（2）UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩的滯回特性與整體現(xiàn)澆橋墩相似，兩者的殘余位移、等效黏滯阻尼比和標(biāo)準(zhǔn)化等效剛度基本一致，且兩個試件的峰值加載力大小相當(dāng)，說明UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩與整體現(xiàn)澆橋墩的抗震性能一致。

（3）在試驗加載過程中，UHPC連接的預(yù)制拼裝橋墩的墩底連接段沒有明顯損傷，UHPC連接段完好，表明采用UHPC連接預(yù)制拼裝橋墩切實可行，在實際橋梁工程的建造中具有較好的應(yīng)用前景。