UHPC連接預制拼裝橋墩擬靜力試驗

段昕智 徐文靖 李建中

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海 200031；3.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092）

0 引 言

隨著國家經濟的持續快速發展，城市化進程的不斷加快，城市基礎設施特別是城市橋梁的建設備受關注。同傳統的公路橋梁建設相比，城市橋梁在建設期間更加關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境污染等社會問題。預制拼裝技術由于具有施工時對城市交通干擾小、現場施工工期短、施工噪聲低污染小等優點[1-2]，較好地解決了城市橋梁建設所需的特殊要求，在現在城市橋梁建設中得到越來越廣泛的應用。

伴隨著預制拼裝技術的蓬勃發展，新材料的誕生成為了提高土木工程結構性能的重要途徑和手段，利用高性能新材料提高預制拼裝結構性能的研究已經成為時下的研究熱點[3]。在當下眾多的新材料中，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）因其優異的力學性能和耐久性，備受國內外研究學者的關注[4]。UHPC是一種新型水泥基復合材料，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在橋梁預制拼裝領域得到了廣泛應用。采用UHPC材料的預制拼裝橋梁，不僅能滿足預制構件大批量、標準化的生產要求，還能進一步提高結構性能，優化結構尺寸。李立峰等[10]提出了一種全預制輕型預應力UHPC大懸臂薄壁蓋梁結構并進行了相關試驗研究，結果表明，新型UHPC預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用于預制鋼筋混凝土框架接縫處，試驗結果表明，預制鋼筋混凝土框架接縫處采用UHPC不僅能較好地實現接縫連接，同時利用UHPC較強的黏結錨固特性可以顯著的減少接縫處的箍筋數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澆橋墩接近。

盡管UHPC已在橋梁預制拼裝領域得到了較多運用，但研究成果主要集中在橋梁上部結構，對UHPC在橋梁下部結構即橋墩與承臺之間的連接研究較少，對UHPC連接預制拼裝橋墩抗震性能的研究較為匱乏。本文根據某座典型城市高架橋，設計了一個采用UHPC連接的預制拼裝橋墩試件和一個同等尺寸的整體現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連接的預制拼裝橋墩在水平往復荷載作用下的受力性能，同時與整體現澆橋墩進行對比，分析比較了采用UHPC連接的預制拼裝橋墩與整體現澆橋墩的抗震性能差異，為UHPC連接預制拼裝橋墩在實際橋梁工程中的運用提供參考依據。

1 UHPC連接橋墩設計與試驗

1.1 連接構造設計

本文依據某典型高架橋建造設計，采用UHPC灌漿實現預制拼裝橋墩的連接，具體連接構造如圖1所示。橋墩整體分為兩部分預制，分別為蓋梁與橋墩整體預制和承臺單獨預制，預制時橋墩墩底和承臺表面分別預留一定長度的搭接鋼筋，通過預留的搭接鋼筋進行橋墩與承臺的拼裝。待橋墩拼裝完成后，往預留的灌漿孔內灌注抗壓強度為180 MPa的UHPC，待UHPC達到強度后，完成橋墩與承臺的連接。在該連接構造中，橋墩和承臺的預留鋼筋搭接長度為15倍鋼筋直徑，與傳統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連接構造Fig.1 UHPC connection structure

1.2 試件設計

1.2.1 試件尺寸構造

為進一步研究UHPC連接預制拼裝橋墩在往復荷載作用下的受力性能，以上一節構造設計中的典型高架橋為原型，設計了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。試驗中同時設計了一個尺寸與配筋同UHPC連接橋墩完全一致的整體現澆橋墩試件，作為參照模型，進一步對比分析UHPC連接預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制，承臺單獨預制，預制時分別在橋墩立柱底部和承臺頂部連接處預留搭接鋼筋，待預制構件達到強度后，運至橋位處利用預留的搭接鋼筋進行橋墩立柱與承臺的拼裝，拼裝完成后，通過預留灌漿孔灌入UHPC，實現試件整體的連接。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。試件的水平循環荷載通過一個水平作動器施加直至試件達到破壞狀態。

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；主筋屈服后轉為位移控制加載，設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。每級荷載均采用3次循環加載[13]，每次循環加載到最大力（位移）時持載，觀察試驗現象并記錄試驗數據，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 試驗量測內容

具體的途徑可以是通過“STEM”課程，此類跨學科的綜合性課程，不僅突出了科學知識的整體性，而且幫助學生加深對科學本質的理解。再者，可結合科學史(如植物的向光性、光合作用過程等)帶領學生學習科學家的科學思維方法，嘗試分析每個科學探究過程的原理，有利于培養學生的科學情感。不可忽視的是，生物學中的實驗是重要的教學內容。通過探究教學模式，設置提出問題、建立假說、設計研究方案、檢驗假說、表達或交流結果等環節，幫助學生加深對實驗的整體認識，在設計中提升思維品質的創造性和靈活性，在分析中提升批判性和深刻性，多維度綜合培養學生的科學思維。

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據采集得到，采集頻率為5 Hz；豎向力通過豎向作動器數據采集得到，采集頻率為1 Hz。橋墩墩頂的水平位移通過量程為±500 mm的拉線式位移計測量得到。同時為了在試驗中實時監測鋼筋的應變變化，模型制作時在鋼筋表面布置了應變片。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生在墩底，因此在立柱底部1 650 mm范圍內沿立柱高度方向每隔150 mm布置1片應變片，如圖7所示。

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

2 試驗結果和分析

2.1 材料特性

本次試驗中，UHPC連接預制拼裝橋墩試件的蓋梁、立柱、承臺以及整體現澆橋墩試件均采用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，達到預設的軸壓保持不變，后根據加載制度，進行水平往復荷載逐級加載，直至橋墩破壞，試驗終止。整個加載過程中，UHPC連接預制拼裝橋墩試件與整體現澆橋墩試件的損傷發展過程基本一致，最終的破壞模式相同。

在力控制加載初期，UHPC連接的預制拼裝橋墩試件與整體現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）有受拉裂縫產生，此時UHPC連接預制拼裝橋墩試件的墩底接縫處良好，無損傷現象。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換為位移控制加載，當加載位移為30 mm時，兩個試件的墩底主筋應變約2 000 με，試件達到屈服狀態。

當加載位移達到120 mm時，兩個試件的立柱等截面段出現混凝土破落現象，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輕微裂縫，并未發生損傷，UHPC連接預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了結構的延性變形能力、滯回耗能能力等，是評價結構基本抗震性能的重要指標，可根據滯回環的形態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，滯回環較為集中；到加載后期，隨著混凝土裂縫出現、鋼筋屈服，滯回環面積擴大，逐漸呈現扁平的四邊形。當加載位移達到250 mm時，整體現澆橋墩的水平承載力下降顯著；當加載位移達到300 mm時，UHPC連接的預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峰值點連接而來，是滯回曲線的包絡線，能夠明顯的反映構件的初始剛度、屈后剛度和最大加載力等抗震指標[13]。UHPC連接預制拼裝橋墩和整體現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，其中整體現澆橋墩的水平承載力峰值為516 kN，UHPC連接預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連接預制拼裝橋墩的極限漂移率比整體現澆橋墩高20%，表明UHPC連接的預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生不可恢復的塑性位移即殘余位移，對應到每級循環的卸荷過程中，當作動器水平力卸荷為零時，此時墩頂位移即為當級加載水平下對應的殘余位移，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

結構的耗能能力指外荷載作用下結構所能吸收能量的能力，研究結構的耗能能力是評價結構抗震性能的重要方法，結構耗散的能量越多，對結構的抗震安全性越有利。評價結構耗能能力的指標很多，本次分析中采用等效黏滯阻尼比ξeq表示結構加載過程中耗散能量的能力，ξeq越大，結構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為單圈滯回循環耗散的能量；Ae為結構的彈性變形能，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，結構的等效黏滯阻尼比較?。浑S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。加載結束時，UHPC連接預制拼裝橋墩和整體現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 標準化等效剛度

試件剛度在加載過程中一直隨著加載位移的變化而變化，標準化等效剛度ηk是一個可以清晰反應試件剛度變化程度的重要指標。標準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，標準化等效剛度越小，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向位移之比。

依據試驗結果可計算得到UHPC連接預制拼裝橋墩和整體現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連接預制拼裝橋墩的初始剛度大于整體現澆橋墩的初始剛度。圖15給出了兩個試件的標準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，試件未發生損傷，預制拼裝橋墩試件因墩底UHPC的影響，其剛度退化較整體現澆橋墩而言較??；當加載后期，橋墩發生損傷后，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，當加載位移為250 mm時，UHPC連接預制拼裝橋墩與整體現澆橋墩的標準化等效剛度為0.17和0.15。

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

3 結 論

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

（1）在單向往復荷載作用下，采用UHPC連接的預制拼裝橋墩與整體現澆橋墩的破壞模式相同，先后經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，最后破壞均為墩底擴大段上方等截面段的彎曲破壞，墩底擴大段區域均無明顯損傷。

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

（3）在試驗加載過程中，UHPC連接的預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用前景。