基于混合試驗的橋墩FRP抗震加固破壞機理研究

張瑋，田石柱

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011）

基于混合試驗的橋墩FRP抗震加固破壞機理研究

張瑋，田石柱

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011）

FRP抗震加固可以提高構件的延性，但同時也可能會改變構件的薄弱部位，乃至改變構件的破壞機理，甚至影響到整個結構。針對此問題，以鋼筋混凝土連續梁橋為模型，假定其中一個橋墩因為施工間斷等原因造成橋墩底部鋼筋部分搭接，需要進行FRP抗震加固，通過抗震混合試驗方法，研究此加固橋墩在地震荷載作用下的破壞情況。結果表明：FRP抗震加固對于構件的延性有著很大的提高，但同時也可能會改變構件的破壞機理。

鋼筋混凝土橋墩；FRP抗震加固；混合試驗；OpenSees

對于存在破壞的橋梁，為了提高其抗震性能，增加橋墩延性，進行FRP抗震加固是一種非常有效的方法。國內外學者對橋墩FRP（纖維增強復合材料）抗震加固進行了大量的研究。蔡新江等[1-2]對FRP加固橋梁RC短柱的抗震性能進行了擬靜力、擬動力試驗研究。結果表明，利用FRP進行加固，將RC短柱的脆性剪切破壞模式轉化為延性彎曲破壞，在基本不改變結構動力特性的條件下增強了結構延性，有效地提高了橋墩的抗震性能。Haroun等[3]對FRP加固塑性鉸區縱筋搭接長度不足的圓形截面柱及方形截面柱進行了抗震性能研究。結果表明，FRP的約束作用能顯著改善塑性鉸區縱筋搭接長度不足的圓形截面柱的側向變形能力，提高延性。Saadatma-nesh H等[4]的研究表明，潛在塑性鉸區有縱筋搭接的橋墩，其破壞模式趨向于延性較低的脆性破壞，耗能能力較差，通過對塑性鉸區進行FRP加固能夠提高橋墩的延性，提高耗能能力。

雖然FRP抗震加固可以提高構件的延性，但同時也可能會改變構件的薄弱環節，乃至改變構件的破壞情況，甚至影響整個結構的破壞機理。針對此問題，文中以鋼筋混凝土連續梁橋為模型，假定其中一個橋墩因為施工原因或其他破壞原因需要對其進行FRP抗震加固，研究橋墩在地震荷載作用下的破壞情況。

抗震混合試驗方法[5-8]是目前較為先進的抗震試驗方法，能夠精準地再現地震荷載作用下的真實情況，是研究橋墩抗震性能水準較好的試驗方法。因此文中采用抗震混合試驗方法進行研究。

1 試驗研究

1.1 試驗概況

模型采用的四跨鋼筋混凝土連續梁橋（圖1）。上部結構為4 m×20 m的鋼筋混凝土主梁，下部結構為鋼筋混凝土雙柱墩，墩高為4 m，截面為圓形，直徑為1 m。雙柱凈距為3 m，柱頂布置蓋梁，長為6 m。中間支座為固定支座，其余支座均為滑動支座。4#為問題橋墩，因為施工間斷等原因，造成橋墩底部鋼筋部分搭接。

圖1 鋼筋混凝土連續梁橋模型

1.2 混合試驗系統建立

通過抗震混合試驗方法進行試驗研究。將跨中的4#橋墩作為試驗子結構進行物理試驗；其余部分作為計算子結構，采用OpenSees有限元軟件進行模擬。

1.2.1 計算子結構的模型建立其中主梁采用彈性梁柱單元Elastic Beam Column Element定義；蓋梁采用基于力的非線性梁柱單元Force-Based Beam-Column Element定義；而橋墩則采用基于位移的非線性梁柱單元Displacement-Based Beam-Column Element定義。

劃分截面時，梁柱按不同的材料定義不同的纖維單元，混凝土按照箍筋約束劃分為核心區混凝土和保護層混凝土。

定義本構關系時，保護層混凝土采用Concrete02Material模型，即Kent-Park本構模型[9]；箍筋約束的核心區混凝土采用Concrete04Material模型，即Mander本構模型[10]，該模型能夠較好地反映箍筋對核心區混凝土的約束作用；縱向鋼筋則采用Steel02Material模型，即Giuffré-Menegotto-Pinto本構模型[11]，該模型充分考慮了鋼筋的強化。

1.2.2 試驗子結構的模型建立試驗子結構模型采用1∶2.5縮尺進行尺寸設計。為了保證模型構件與原型構件塑性開展過程和破壞形態是基本一致的，取應變相似比為1。模型橋墩內部鋼筋的配筋僅需保證縱筋配筋率和箍筋體積配箍率與原型橋墩一樣即可。設計參數如表1所示，橋墩模型配筋如圖2所示。

表1 橋墩模型設計參數

圖2 橋墩模型配筋圖（單位：mm）

模型混凝土采用C30，立方體抗壓強度為34.1 MPa，換算成圓柱體抗壓強度為26.9 MPa；縱向鋼筋采用HRB335鋼筋，直徑為14 mm，屈服強度為364 MPa，極限強度為522 MPa，拉伸率為22%，鋼筋彈性模量為2.0×105MPa；箍筋采用HPB300鋼筋，直徑為6 mm，間距為100 mm。

1.2.3 試驗加載裝置及工況根據順橋向受力原理，設計加載方式如圖3所示，首先在柱頂通過連接球鉸的千斤頂施加一個恒定的軸向力（根據原型橋墩軸壓力縮尺而得，為24.6 t），千斤頂頂部連接滑板，可以隨著試件墩頂位移滑動。然后通過MTS電液伺服加載系統控制電液伺服作動器在墩頂進行位移控制加載。柱底用地錨進行錨固，并在兩端運用千斤頂和鋼塊進行限位，防止底部出現滑移。在塑性鉸區域縱向鋼筋、混凝土處粘貼了應變片，并在墩頂、塑性鉸區域頂部和底柱處分別架設了位移計。

1.3 試驗子結構橋墩破壞分析及FRP抗震加固方法

對于墩柱構件，根據大量的理論研究以及試驗現象顯示其破壞一般會在底部出現裂縫并逐漸破壞延伸最終形成塑性鉸，柱身出現分布較為均勻的水平裂縫。根據圖2所示，橋墩縱向鋼筋共有12根，其中搭接鋼筋為6根，占總鋼筋的50%；鋼筋搭接的部位正好處在橋墩的塑性鉸區域，即橋墩本身的薄弱部位。綜合以上幾點，該試驗橋墩必然在塑性鉸區域出現破壞，且比其他橋墩更容易破壞。

圖3 試驗加載方式

根據以上試驗橋墩破壞分析，文中主要采用塑性鉸加固，如圖4所示。在橋墩底部預留10 mm間隙，防止FRP直接承受軸向力，加固區域FRP纏繞3層。

1.4 試驗工況

選取El-Centro地震波，按照抗震規范7度E1、7度E2、8度E2、9度E2峰值加速度調幅在順橋向對橋墩進行加載。試驗工況如表2所示。

圖4 FRP加固方法

表2 試驗工況

2 試驗現象及分析

2.17 度E1地震作用

在7度E1地震作用下，橋墩無明顯可見裂縫。分析試驗數據得橋墩地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線如圖5所示（文中所有提到的試驗數據均為考慮了相似關系后放大的原型橋墩的數據）。從滯回曲線可以看出，試件存在破壞，但較為輕微。

圖5 7E1地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線

試件FRP加固區域上部兩側混凝土應變時程曲線如圖6與圖7所示，從時程曲線明顯可以看出，應變片沒有出現破壞，即應變片區域沒有出現裂縫；但混凝土應變片時程曲線與橋墩位移時程曲線存在些許差異，即除應變片區域外，其他區域可能出現裂縫，而FRP加固區域外沒有裂縫出現，所以裂縫可能存在于FRP加固區域下部且因為FRP的覆蓋遮擋而無法通過試驗現象觀察到。

圖6 左側混凝土應變時程曲線

圖7 右側混凝土應變時程曲線

試件FRP加固區域兩側貫穿鋼筋應變時程曲線見圖8～9，左側貫穿鋼筋最大應變為1 153×10-6，右側貫穿的最大應變為780×10-6，而鋼筋的屈服應變為1 820×10-6，所以此時試件兩側貫穿鋼筋依然處于彈性階段。

2.27 度E2地震作用

在7度E2地震作用下，在變形達到峰值時可以發現FRP加固區域上沿出現細裂縫，隨著位移減小，細裂縫逐漸閉合，裂縫為水平裂縫，如圖10所示。分析試驗數據得橋墩地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線如圖11所示。從滯回曲線也可以看出，試件破壞進一步加深。

圖8 左側混凝土應變時程曲線

圖9 右側混凝土應變時程曲線

圖10 7E2地震作用下橋墩的破壞情況

圖11 7E2地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線

試件FRP加固區域混凝土應變片全部破壞，即應變片區域混凝土出現大量破壞，結合試驗現象可以認為在7度E2地震作用下，混凝土破壞從FRP加固區域下部發展到FRP加固區域上部，并逐漸發展到FRP加固區域上沿。

試件FRP加固區域兩側貫穿鋼筋應變時程曲線見圖12～13，左側鋼筋最大應變為2 827×10-6，右側最大應變為1 933×10-6，而鋼筋的屈服應變為1 820×10-6，所以此時試件兩側貫穿鋼筋已經屈服，進入塑性階段。

圖12 左側混凝土應變時程曲線

圖13 右側混凝土應變時程曲線

2.38 度E2地震作用

在8度E2地震作用下，FRP上沿混凝土裂縫開展較為明顯，柱身出現明顯水平裂縫。底梁混凝土出現開裂翹起現象，如圖14所示。分析試驗數據得橋墩地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線見圖15。從滯回曲線也可以看出，試件破壞較為嚴重。試件塑性鉸區域兩側貫穿鋼筋應變片破壞，此時鋼筋屈服較為嚴重。

圖14 7E2地震作用下橋墩的破壞情況

圖15 8E2地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線

2.49 度E2地震作用

在9度E2地震作用下，橋墩的混凝土裂縫在原來的基礎上繼續向外延伸，混凝土裂縫寬度加寬，底梁混凝土開裂橋底更為嚴重，如圖16所示。分析試驗數據得橋墩地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線如圖17所示。從滯回曲線也可以看出，試件破壞極為嚴重。

圖16 7E2地震作用下橋墩的破壞情況

圖17 9E2地震作用下的位移時程曲線和滯回曲線

結合以上試驗現象及數據分析得出，在7度E1地震作用下，試件FRP加固區域下部混凝土出現開裂，上部混凝土沒有破壞，FRP加固區域貫穿鋼筋始終處于彈性階段；在7度E2地震作用下，試件混凝土破壞從FRP加固區域下部發展到FRP加固區域上部，并逐漸發展到FRP加固區域上沿，試件FRP加固區域兩側貫穿鋼筋已經屈服，進入塑性階段；在8度E2地震作用下，試件混凝土破壞加深，并在FRP加固區域上沿逐步向上開展，柱身出現明顯的水平裂縫，底梁混凝土開裂翹起，試件FRP加固區域兩側貫穿鋼筋屈服嚴重；在9度E2地震作用下，試件混凝土破壞更為嚴重，試件FRP加固區域上沿混凝土裂縫在原來的基礎上繼續向外延伸，混凝土裂縫寬度加寬，底梁混凝土開裂嚴重，試件接近倒塌。

試件去除FRP最終破壞情況如圖18所示，可以明顯看出，FRP加固區域出現破壞但并不嚴重，橋墩的破壞主要集中在FRP加固區域上沿以及底梁部分。此現象顯示FRP加固對于試件的破壞產生了非常大的影響。原本的薄弱部位因為FRP的加固，延性得到了很大的提高，繼而造成在強震作用下橋墩的薄弱部位轉移到了FRP加固區域的上沿以及底部的底梁，因此，其破壞較塑性鉸區域更為嚴重。

3 結論

針對橋墩底部薄弱部位進行FRP加固以后，試驗研究發現，原本的薄弱部位（即塑性鉸區域）破壞并不嚴重，而FRP加固區域上沿以及橋墩的底梁反而出現較為嚴重的破壞，因此可以得出：

（1）橋墩的薄弱部位因為FRP加固，延性得到了很大的提高；

（2）橋墩的薄弱部位FRP加固以后造成在地震作用下橋墩的薄弱部位轉移到了FRP加固區域的上沿以及試件的底梁，此時整個構件的破壞機理發生了改變；

（3）規范中明確規定搭接鋼筋在同一斷面上的搭接數量不能超過30%，因此對于施工中可能存在的同一斷面搭接鋼筋數量超過30%的情況時，可以采用FRP加固方法對其進行加固處理。

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Research on the failure mechanism of seismic strengthening of bridge piers with FRP based on hybrid test

ZHANG Wei，TIAN Shizhu
（School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

Seismic strengthening with FRP can improve the ductility of the component,but at the same time,it may change the weak parts of the component,then change the failure mechanism of the component,sometimes even affect the whole structure.To solve this problem,this paper usea reinforced concrete continuous beam bridge as the model,assumethat one of the piers need to carry outseismic reinforcementwith FRP because of the construction of intermittent and other reasons caused the bottom of the bridge pier partial lap joint.The damage of bridge pier under seismic load is studied through the method of hybrid test.The results show that the ductility of the member is greatly improved by seismic strengtheningwith FRP,but it may also change the failure mechanism of the component.

reinforced concrete bridge piers;seismic strengthening with FRP;hybrid test;OpenSees

U443.22

A

1672-0679（2016）04-0038-06

（責任編輯：秦中悅）

2016－04-12

張瑋（1988-），男，江蘇連云港人，碩士研究生。

田石柱（1962-），男，博士，教授，從事結構實驗方法與技術、結構振動控制、結構健康監測研究，Email：tianshizhu@mail.usts.edu.cn。