ECC增強RC橋墩塑性鉸區域滯回性能研究

余林峰 馬生強 姚祖豐

（1.新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆大學交通工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；3.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

0 引言

對震后受損橋梁的調查表明，橋梁下部構件橋墩在地震時毀壞，是誘導橋梁整體垮塌的主要原因之一?；炷粒≧C）橋墩的震損破壞往往集中在其塑性鉸區，主要是RC 墩柱塑性鉸區混凝土延性不足所造成[1]。工程水泥基復合材料（ECC）在荷載作用下，極限應變可以達到3%～5%，表現出了高延性和高韌性的特性[2]，很大程度上彌補傳統混凝土自身脆性、延性變形差等缺點。

國內外眾多學者對ECC增強混凝土構件做了大量的理論和實驗研究。Yuan[3]采用ECC 簡化后本構曲線，采用有限元方法分析了ECC/RC 組合梁的抗彎性能，評價了ECC的彈性模量、ECC的受拉延性和ECC增強位置及厚度，對ECC/RC組合梁的撓度和最大裂縫寬度的影響。Ayoub[4]將ECC 應用于砌體填充板的加固，結果表明ECC可以極大地提高砌體板在地震作用下的耗能性能。Yang[5]對縮尺的ECC 增強雙支剪力墻的現澆區域試件，進行了擬靜力實驗，發現在現澆區域采用ECC 置換混凝土后，可以提高雙支剪力墻的抗震性能。周鐵鋼[6]采用ECC 對墻體進行加固，對邊框式、十字式和抹面式不同加固方案進行試驗，發現采用ECC 增強后的墻體在承載能力、變形能力和耗能能力方面均有不同程度上的提升。張銳等[7]對ECC 梁的抗剪性能進行了研究，實驗發現在相同的配筋率下，ECC 梁的抗剪性能明顯優于RC 梁。俞家歡等[8]進行了6 根ECC 長柱的軸壓實驗，對比了不同長細比、齡期、配筋率等參數對柱子的破壞形態、變形特征及力學性能的影響。陸婷婷[9]對17 個空間框架結構模型進行了有限元分析，由框架結構中梁、柱和縱筋的應力和應變的分布情況，表明采用ECC增強后的框架結構在預期的受損部位能夠使梁縱筋更早地進入屈服，顯著提升板頂的層間側移角，有利于實現“強柱弱梁”的延性破壞形式。以上研究成果表明，ECC 材料在荷載下因其裂縫發展具有細而密的特點，具有較好的延性性能。采用ECC 材料增強工程結構的局部或全部構件可以顯著提升結構整體的延性水平。因此，本文利用ECC 材料高延性的特點，將橋梁墩柱潛在塑性鉸區域的普通混凝土替換為ECC 材料，形成ECC/RC 復合墩柱，并對其延性抗震性能進行有限元分析，研究ECC增強RC橋墩塑性鉸區域的滯回性能，為ECC 應用于混凝土墩柱的延性設計提供理論依據與參考標準。

1 滯回模型的建立與驗證

參考已發表論文[10]中擬靜力實驗墩柱的尺寸、配筋形式以及材料的力學性能，分別建立未置換的RC墩柱和ECC/RC復合墩柱在循環往復荷載下的滯回模擬。按照縮尺實驗柱的尺寸，分別建立普通混凝土、ECC 區段和鋼筋的局部模型，在裝配模塊將各部件組合在一起，使用嵌入式約束（Embedded）將鋼筋嵌入混凝土基體中。普通混凝土與ECC之間采用綁定（Tie）連接[11]，數值分析中混凝土和ECC 均采用C3D8R 單元，縱筋及箍筋采用T3D2 單元，根據縱筋和箍筋的直徑以及材料特性賦予單元截面屬性。采用塑性損傷模型（CDP）來模擬普通混凝土和ECC材料的力學特性。普通混凝土按照《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[12]，計算出混凝土對應拉伸和受壓狀態下完整的應力-應變曲線作為其輸入的本構曲線。ECC則分別按照Han[13]和Meng[14]提出的受拉和受壓骨架曲線作為ECC的本構曲線，結合等效能量法計算出與之相對應的損傷因子，作為有ECC的損傷塑性模型進行輸入。鋼筋則采用簡化后的雙折線強化模型，同時采用削減鋼筋的卸載剛度來模擬鋼筋與混凝土之間的滑移效應[15]。ECC 材料的膨脹角一般取值為30°～40°[16-17]。偏心率ε取默認值0.1 即可。黏塑性參數ν對于一般的非動力分析可取值0.0005[17]。取默認值1.16，幫助手冊中規定0.5＜K≤1.0，對于纖維混凝土取值0.667[18]。將混凝土、鋼筋以及PP-ECC 的材料特性，按照其對應的損傷塑性模型輸入到ABAQUS 屬性庫中。根據有限元軟件內置的Load 模組，對墩柱施加豎向和水平往復荷載，對應于擬靜力實驗中的加載方式，即豎向荷載一次施加到200kN，循環往復加載中每級荷載循環3 次，每級位移加載增量為4mm。在后處理模塊中提取墩頂的反力和位移可以得出墩柱的滯回曲線，滯回曲線是指完成一次加載循環得到的（荷載-位移）曲線，滯回環面積大小反映了試件一次加載循環下的耗能能力。對比有限元分析和擬靜力實驗下的墩柱的滯回曲線，發現兩墩柱滯回曲線的峰值點和橫向抗力正反向的均值大小較為相近。在RC 墩柱的擬靜力實驗中，正反向橫向抗力的均值為77.28kN，數值分析下RC 墩柱的正反向抗力均值為79.15kN，相對誤差為2.42%。在ECC/RC 復合柱的擬靜力實驗中，墩柱正反向橫向抗力的均值為90.31kN，數值分析下RC 墩柱的正反向抗力均值為100.8kN，相對誤差為11.61%。表明本文循環往復荷載下不同墩柱的有限元分析模型，可以較好地反映RC 墩柱和PP-ECC/RC 復合墩柱在循環加載下的滯回性能。

2 ECC增強RC墩柱的滯回分析

文獻[19]認為影響墩柱塑性鉸長度的主要因素有墩柱有效高度、截面有效高度、混凝土抗壓強度、縱筋直徑及抗拉強度、軸壓比、配箍率以及鋼筋類型等，且各國學者所提出的等效塑性鉸長度的計算公式也多種多樣，其適用的范圍也不盡相同。孫治國等[20]結合108根試件的試驗結果，與國內外不同學者所提出的公式進行對比，發現按所提公式計算下，墩柱的塑性鉸計算長度與實驗結果差別較大。為此，本文參照我國抗震細則對墩柱潛在塑性鉸長度的計算方式，計算出墩柱對應的塑性鉸長度，并將此長度范圍內的普通混凝土替換為ECC材料?？拐鸺殑t下墩柱的等效塑性鉸長度計算式如下所示。

式中：H——墩柱的高度；

ds——縱向鋼筋的直徑；

fy——縱向鋼筋抗拉強度的標準值；

b——矩形截面的短邊尺寸。

塑性鉸長度Lp取上兩式的較小值。根據縮尺墩柱的尺寸，抗震細則計算下墩柱的塑性鉸長度為200mm。根據《混凝土結構設計規范》[12]計算出墩柱的豎向承載力。墩柱的軸壓比控制在0.2，對應墩頂豎向加載大小為519961N。為了定量地評價墩柱的抗震性能，通過提取模型滯回曲線峰值點的連線得出兩不同墩柱的骨架曲線。由骨架曲線可以反應出墩柱在往復荷載下，其最大的橫向抗力大小以及延性性能。橫向抗力和延性性能是評價墩柱抗震性能的重要指標，橫向抗力是指墩柱在往復加載下墩頂水平向反力的最大值，位移加載下反力的下降程度，可以間接的反應墩柱剛度的變化趨勢。墩柱的延性性能可以通過位移延性系數μΔ來評估，其計算式如下所示。

式中：“+”和“-”——分別為正向加載和反向水平加載；

?y和?u——分別為墩柱的屈服位移和極限位移，極限位移為橫向抗力下降至最大值的85%時，對應的位移加載量大小。

采用ECC增強RC墩柱塑性鉸區域后，復合墩柱的承載能力和延性性能都遠大于普通RC墩柱。兩不同墩柱的骨架曲線如圖1所示；墩柱正反向最大抗力的均值和延性性能如圖2所示。

圖1 兩不同墩柱的骨架曲線

圖2 不同墩柱的橫向抗力和延性水平

結合圖1和圖2發現：按照抗震細則計算出墩柱的塑性鉸長度后，將此長度范圍內的普通混凝土置換為ECC，復合墩柱的最大橫向抗力和延性性能都遠大于普通RC墩柱，其最大抗力提升了25.15%，延性水平提升了120.81%。表明在我國抗震細則計算下墩柱的潛在塑性鉸長度內，采用ECC材料增強RC墩柱潛在的塑性鉸區域，可以顯著提升墩柱的橫向抗力和延性性能。

3 結束語

本文通過對1/5縮尺試驗墩柱的尺寸、配筋形式和材料的力學性能，分別建立了RC 墩柱和ECC 增強下ECC/RC復合墩柱的有限元模型。依據室內擬靜力實驗的加載方式，對兩不同墩柱進行了循環往復荷載下的滯回模擬。選定由Han 和Meng 提出的ECC 拉壓骨架曲線，結合等效能量法的計算方式分別計算出ECC拉壓損傷因子，作為ECC的塑性損傷模型。通過削減混凝土中鋼筋的卸載剛度，來模擬循環往復加載下鋼筋與混凝土之間因產生粘結滑移效應而導致墩柱整體剛度退化的現象。有限元分析得出的結果與實驗結果吻合良好，驗證了有限元分析模型的有效性與合理性。本文以此為基礎，重點探討了ECC置換橋墩塑性鉸區域對復合墩柱滯回性能的影響，主要結論如下：

（1）RC墩柱的擬靜力實驗與數值分析結果的相對誤差為2.42%，ECC/RC復合柱的擬靜力實驗與數值分析的相對誤差為11.61%，有限元分析與擬靜力實驗結果吻合較好，驗證了ECC增強下復合墩柱滯回模擬的可行性。

（2）采用ECC 置換塑性鉸區后，復合墩柱的橫向抗力和延性性性能均有顯著提升，延性水平最大提升了120.81%，橫向最大抗力最大增加了25.15%。

研究表明，根據抗震細則計算出墩柱潛在塑性鉸長度后，采用高延性的ECC材料置換RC墩柱對應的塑性鉸區域，可以顯著提升RC墩柱的橫向抗力和延性性能，進而有效改善墩柱的抗震性能。