聚氨酯粉煤灰材料的力學特性及在橋墩抗震加固上的應用研究

鄧曉瓊

（海南省公路勘察設計院，海南 ?？?570311）

聚氨酯粉煤灰材料的力學特性及在橋墩抗震加固上的應用研究

鄧曉瓊

（海南省公路勘察設計院，海南 海口 570311）

對聚氨脂粉煤灰材料的力學特性進行了實驗研究，提出外包聚氨酯粉煤灰材料與箍筋對鋼筋混凝土橋墩進行抗震加固的新方法，并利用ABAQUS有限元軟件建立實體模型進行數值模擬，對其抗震性能進行了解析。

聚氨酯粉煤灰材料；混凝土；鋼筋混凝土橋墩；P-Δ曲線；抗震加固

0　引言

隨著科學技術水平的不斷提高以及當代工程的需求，新型材料的研發成為熱門。對于橋梁抗震加固領域來說，研究利用新材料對既有結構進行抗震加固，具有重要的現實意義和工程實用價值。哈爾濱工業大學的劉貴位老師以工業廢物——低等級粉煤灰為主要材料，研發出了一種既經濟又實用的環保型新材料——聚氨脂粉煤灰材料[1-4]。本文將對其主要力學特性進行實驗研究，并根據試驗結果初步研究其在橋墩抗震加固上的應用。

1　聚氨酯粉煤灰材料力學特性試驗研究[5]

1.1材料組成

粉煤灰(Fly-ash)是在煤粉爐中燃燒煤粉時從煙道氣體中收集到的細顆粒粉末，SiO2和A12O3是粉煤灰的主要活性成分，約占總重量的70%以上。聚氨酯(PU)是一種性能優異的高分子彈性材料,它是以低聚多元醇為軟段,異氰酸酯和擴鏈劑為硬段的嵌段化合物,化學結構中含有氨基甲酸酯、醚鍵、脲鍵和脲基甲酸酯鍵等多種極性鍵，具有良好的耐磨性、耐化學品性、柔韌性、粘結性及成膜性能。將兩種材料作為主要原料進行配合比設計，采用特殊發泡技術，研制出一系列的聚氨酯粉煤灰材料。

1.2力學特性試驗

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30—2005）[6]中的試驗方法，對4種不同密度的聚氨酯粉煤灰材料（表中列出的 case1～ case4）分別進行3種試驗來測定其力學特性——抗壓強度試驗和抗壓彈性模量試驗、抗彎拉強度試驗和抗彎拉彈性模量試驗、劈裂抗拉強度試驗。結果與混凝土對比如下。

（1）聚氨酯粉煤灰材料的強度與混凝土的對比（見表1）

表1　聚氨酯粉煤灰各系列強度與混凝土的對比

由上述結果可以看出，聚氨酯粉煤灰材料的強度隨密度的增加而成不同程度的增加，抗壓強度和密度之間的關系可以擬合成二次函數形式，而抗彎拉強度與密度之間則成正比例關系。各系列的抗壓強度和抗彎拉強度與普通混凝土進行了比較，case2（γ=0.8 t/m3）的抗壓強度為20 MPa，基本接近普通混凝土，隨著密度的增大，case3（γ= 1.2 t/m3），case4（γ=1.4 t/m3）分別能達到45 MPa、62 MPa，表現出良好的抗壓性能。隨著密度的增大，聚氨酯粉煤灰材料的抗拉性明顯優于普通水泥混凝土，case2（γ=0.8 t/m3）的抗拉強度約是其5倍，case4（γ=1.4 t/m3）則能達到普通混凝土的10倍以上。

（2）聚氨酯粉煤灰材料的彈性模量與混凝土的對比（見表2）

表2　聚氨酯粉煤灰各系列抗壓彈模與混凝土的對比

由上述結果可以看出，聚氨酯粉煤灰材料的彈性模量明顯小于普通水泥混凝土，case1～case4的彈性模量分別為普通混凝土的1/39，1/12,1/5, 1/4。

（3）聚氨酯粉煤灰材料的應力-應變關系（見圖1）

圖1　聚氨酯粉煤灰應力-應變關系

根據單調加載實驗的結果，建立聚氨酯粉煤灰材料的抗壓應力-應變關系和抗彎拉應力-應變關系。

式中：σ為應力，N/mm2；ε為應變；σck為抗壓強度，N/mm2；σ、β為試驗常數（見表3）。

表3　聚氨酯粉煤灰材料的力學特性

從應力-應變關系曲線可以看出，聚氨酯粉煤灰材料的極限壓應變約為0.015，與普通水泥混凝土（約為0.002）接近；而極限拉應變約為0.005,是普通混凝土的30～50倍（普通水泥混凝土的極限拉應變約為0.000 1～0.000 15）。

從以上總結出聚氨酯粉煤灰材料具有如下優越性:

對新型復合材料——聚氨酯粉煤灰進行了一系列的力學特性試驗，通過最小二乘法擬合出了其強度和密度、彈性模量和密度以及應力應變關系，并與普通的水泥混凝土進行了對比。最后總結了該材料諸多優點：輕質高強、抗拉強度高、韌性好且經濟環保，指出了其在抗震領域良好的應用前景。

2　利用聚氨酯粉煤灰材料對鋼筋混凝土橋墩進行抗震加固[2，3]

2.1加固方案

利用聚氨酯粉煤灰材料良好的力學特性，本文提出針對鋼筋混凝土橋墩的新型抗震加固方法，并選用精度較高的ABAQUS有限元程序[7]建立實體模型對其抗震性能進行研究分析。

本文選取文獻[8]中試驗模型系列Ⅰ的11號墩柱為試驗柱（SZ），柱高1 500 mm，橫截面為b× d=400 mm×400 mm，保護層厚度為42 mm，剪跨比為4.0，縱筋配置1216，箍筋配置6@100。加固方案為在試驗柱（SZ）表面包裹8@100的箍筋，而后涂抹厚度為12 mm的聚氨酯粉煤灰材料，加固后的墩柱命名為JSZ。對墩柱SZ和JSZ分別進行單向靜力水平加載試驗，垂直作用在墩柱上的豎向力為235.2 kN，水平力作用在墩柱頂部。本試驗中縱筋采用二級螺紋鋼筋，箍筋采用一級光圓鋼筋,具體材料性能參數見表4。墩柱編號及主要參數見表5，圖2、圖3為橫截面及立面示意圖。

表4　墩柱材料性能參數明細表

表5　墩柱編號及主要參數

圖2　橫截面示意圖

圖3　立面示意圖

2.2抗震性能評價指標

評價結構或構件的抗震性能主要看兩方面：承載能力和變形能力。

承載能力是指為保證在預期的地震災害中免受破壞，結構構件所具有的抵抗地震反應中產生的內力的能力。

變形能力，即通常所說的延性，是評價結構構件抗震性能的另一個重要指標。延性[7]是指截面或構件在初始強度沒有明顯退化的情況下承受變形的能力，或者表示為破壞前截面或構件所能夠承受很大的后期變形。后期變形包括材料的塑性，應變硬化和應變軟化階段。圖4中的力可以是荷載或彎矩，變形可以是曲率、轉角或撓度。

圖4　力-變形圖

設Δy代表鋼筋屈服時的變形或構件的變形曲線發生明顯轉折時的變形;Δu代表破壞或極限強度時的變形。后期變形能力通常以塑性變形Δu-Δy，或延性比Δu/Δy來表示。脆性破壞是到達最大承載能力后突然破壞，后期變形能力很小。由于脆性破壞是突然的，缺乏足夠的預兆，必須避免其發生。

單調加載時構件的延性越大，力—變形曲線下面包含的面積越大。力—變形曲線下面包含的面積代表“吸收的能量”，所以構件的延性越大，吸收的地震能越多，抗震性能越好。衡量延性常用的指標有截面的曲率延性系數、結構或構件的位移延性系數、側移比、耗能能力等。本文選用位移延性系數μ和θu側移比來表征墩柱構件的延性大小。

（1）位移延性系數

位移延性系數定義為構件破壞時柱頂的水平位移Δu與屈服時柱頂的水平位移Δy之比，即：

式中：Δy為屈服位移；Δu為極限位移。

（2）側移比

側移比，即極限彈塑性位移角，定義為極限位移Δu與墩柱長度L之比，即：

式中：Δu為極限位移；L為墩柱高度。

2.3加固前后墩柱對比

圖5是加固前后墩柱的荷載-位移曲線對比。

圖5　未加固與加固柱荷載-位移曲線比較

由圖5可以看出，加固柱的極限位移明顯大于未加固柱，其承載力也有很大幅度的提高。在初始的彈性階段，兩曲線趨勢基本吻合，加固柱的曲線略高于未加固柱。隨著側向位移的增加，加固柱的剛度比未加固柱有了顯著的提高。進入塑性段之后，加固柱的曲線明顯高于未加固柱，加固柱的承載力明顯高于未加固柱。

按照前述的抗震性能參數的計算方法，計算出加固前后墩柱的位移延性系數、承載力及能量并將兩者進行比較，具體見表6。加固后墩柱的極限承載力比未加固試件提高了28.9%，位移延性系數提高了28.6%，耗能能力提高了74.7%。故外包聚氨酯粉煤灰材料及箍筋對墩柱進行加固后，其抗震性能有了較大幅度的提高。

表6　加固前后墩柱的延性以及承載力對比

3　抗震加固機理分析

對加固墩柱加載初期，混凝土處于線彈性階段，橫向變形小，類似于素混凝土柱，聚氨酯粉煤灰材料和外包箍筋幾乎對其不產生約束效應。隨著水平方向所加荷載的增大，受壓區混凝土進入塑性階段，混凝土橫向變形顯著增加，外包層材料的應變也隨之開始明顯增長，對混凝土施加環向約束力，以控制其橫向變形。由于環向約束力的存在，混凝土的極限壓應變也得以提高，因而墩柱達到極限承載力時的變形有所增大。由此可見，外包聚氨酯粉煤灰材料與箍筋加固可較好地提高混凝土墩柱的承載能力和延性，改善其抗震性能。

4　與其他加固方式的對比分析

本節設計了墩柱JSZ1,外包聚氨酯粉煤灰材料厚度取15 mm，其他參數與JSZ完全相同。外包普通混凝土的墩柱命名為SSZ，其他參數與JSZ1完全相同。

在相同的加載情況下得到其荷載-位移曲線，如圖6所示。

圖6　外包聚氨酯粉煤灰與普通混凝土荷載-位移曲線對比

由圖6可以看出，在彈性開始階段兩曲線相差不大，但是隨著側向位移的增加，外包聚氨酯粉煤灰材料的構件剛度不斷增加。從塑性階段一直到破壞，外包水泥混凝土的墩柱剛度呈逐漸減小趨勢，而外包聚氨酯粉煤灰材料的墩柱剛度則沒有明顯下降。

由表7的分析計算結果可以看出，外包聚氨酯粉煤灰材料的墩柱的位移延性系數比外包普通混凝土提高了7.69%，極限承載能力提高了23%，耗能能力提高了69.5%，有著明顯的優勢。

表7　外包聚氨酯粉煤灰與普通混凝土的延性以及承載力對比

從對自重的增加方面對比，外包普通混凝土后原墩柱的自重增加了15.56%（44.82 kg），而外包聚氨酯粉煤灰后原墩柱自重只增加了7.78% （89.64 kg）。

5　結　語

通過對新型復合材料——聚氨酯粉煤灰材料的一系列力學特性試驗研究，分析總結了該材料具有輕質、高強（高抗壓強度及高抗拉強度）、韌性好等良好的力學特性。利用有限元軟件ABAQUS對外包聚氨酯粉煤灰材料加固混凝土墩柱的抗震性能進行了非線性分析，得到如下結論：對鋼筋混凝土墩柱外包聚氨酯粉煤灰材料和箍筋后，抗震性能有大幅度的提高；通過與外包普通水泥混凝土對比發現，外包聚氨酯粉煤灰后原墩柱自重增加較小，且抗震性能提高較大，所以與普通混凝土相比具有顯著的優越性。

[1]Guiwei Liu.Hisanori Otsuka and Atsuo Shimizu:An experimental study on the restoring force characteristics of steel column filled with poly urethane mixed fly ash[J].Journals of the Japan Society Civil Engineering.，2008，63（4）:1-16.

[2]Guiwei Liu.Tomoyoshi Uyama and Hisanori Otsuka:Study on a new seismic retrofit method for an existing over though type steel arch bridge[J].JSCE Journal of Earthquake Engineering,2007 （29）:664-673.[3]Guiwei Liu,Hisanori Otsuka.An analytical study on the non-linear response characteristics of steel pope column filled by PUFA.JSCE Journal of Earthquake Engineering[J].Tomoyoshi Uyama and Hisanori Otsuka,2007(29):458-467.

[4]GuiweiLiu,HisanoriOtsuka.Afoundationalstudy on static mechanicalcharacteristics of the super lightweight and high strength material using fly-ash.Journal of the Society of Materials Science[J].Yoji Mizuta and Atsuo Shimitsu,2006,55(8):738-745.

[5]Japan Soiety of civil engineers:Recommendations for deasin and contruction of concrete structures using high strength lightweight aggregate made of fly ash[J].concrete library,2001（105）:45-49.

[6]JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

[7]ABAQUS Theory M annual ABAQUS.Inc,2006.

[8]Study on deformation capacity of reinforced concrete bridge piers underearthquake.ByTadayoshiISHIBASHIandShin-ichi YOSHINO.1998,2.

U444

A

1009-7716（2016）10-0130-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.042

2016-06-18

鄧曉瓊（1987-），女，山東菏澤人，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。