鋼纖維自密實混凝土節段拼裝橋墩擬靜力試驗研究

高文軍，蘭海燕，劉少乾，唐光武

(1.橋梁工程結構動力學國家重點實驗室，重慶 400067； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067； 3. 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041)

節段拼裝橋墩是在保證質量的前提下有效縮短了施工周期，對交通的影響小，不會造成施工周邊環境的破壞，國外多用于非抗震設防區域或低抗震設防區域[1-2]，我國東海大橋[3]和港珠澳大橋[4]均采用了節段拼裝橋墩。目前對節段拼裝橋墩的抗震性能研究成果主要在接縫的連接構造方面，國內外學者對不同的接縫形式、在接縫處設置不同的耗能裝置進行抗震研究[5-6]，此外對預應力布置[8-9]和預應力度[10]等也做了大量研究。

鋼纖維混凝土具有良好的增強、增韌效應[11]，增加鋼纖維后可有效改善橋墩裂縫破壞形態和滯回特性[12]，能有效提高橋梁結構的抗震能力[13-14]。本文在節段拼裝橋墩接縫處未布置耗能鋼筋等耗能構造，僅采用鋼纖維自密實混凝土進行抗震試驗研究。通過擬靜力試驗獲得了試驗模型的破壞過程及特征，同時與普通自密實混凝土模型的試驗結果對比，獲得了2組模型的力-位移滯回曲線、骨架曲線和耗能能力，分析了鋼纖維自密實對預制拼裝橋墩抗震性能的影響。

1 結構擬靜力試驗

1.1 節段拼裝橋墩模型設計

試驗橋墩由蓋梁、4個預制節段橋墩(J1～J4)和承臺組成[15-16]，模型設計如圖1所示，同時為考察增加鋼纖維后的耗能能力和破壞狀態，節段接縫處不設置耗能鋼筋等耗能構造，僅設置了混凝土剪力鍵，防止發生水平錯動。試驗共設計了2組模型，分別是預制節段部分采用普通自密實混凝土的模型(簡稱普通模型)和0.5%摻量鋼纖維自密實混凝土的模型(簡稱鋼纖維模型)，2種模型的混凝土力學性能試驗結果如表1所示。鋼纖維為比利時貝卡特(BEKERT)佳密克斯ZP305型鋼纖維，每根鋼纖維長30 mm，截面為圓形，直徑為0.5 mm。墩柱預應力布置在橋墩中心，為無粘結預應力，預應力鋼絞線總面積為840 mm2，有效預應力為420 kN。

表1 混凝土力學性能試驗結果 MPa

圖1 模型設計示意

1.2 加載制度

水平加載采用作動器位移控制加載，如圖2所示。水平位移的加載等級分別為墩高(2 025 mm)的0.075%、0.125%、0.25%、0.375%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%、 5%、6%、7%、8%、9%、10%，每個加載等級加載3個周期。位移加載速度為0.5 mm/s，當加載水平位移比例達到5%時，加載速度增至1 mm/s。其中以作動器伸長方向為正，作動器回縮方向為負。

1.3 試驗破壞過程和破壞特征

在試驗過程中，達到每個循環位移峰值點時，記錄節段表面裂縫的發展情況。普通模型試驗中，當水平位移加載比例小于1%時，節段各接縫未發現明顯張開，混凝土沒有發現裂縫，總體處于彈性狀態。水平位移加載比例達到2%時，底部節段J1明顯張開，底部開始出現豎向裂縫；水平位移加載比例達到3%時，J1節段底部保護層混凝土開始輕微剝落；隨著加載位移的增大，普通模型底部節段裂縫迅速發展，J1節段底部保護層混凝土大面積剝落露筋。最終達到最大加載位移(10%)時，普通模型節段底部20 cm范圍界面內外部保護層混凝土全部剝落，核心混凝土嚴重破壞，箍筋發生屈曲，如圖3(a)所示。

(a) 試驗加載照片

(b) 側面加載

鋼纖維模型試驗中，在水平位移加載比例達到2%時，試驗現象與普通模型基本一致，在后續加載過程中，由于鋼纖維的約束作用，裂縫發展緩慢。試驗結束時，鋼纖維模型在正方向側底部10 cm和負方向側底部5 cm范圍內保護層混凝土輕微剝落，截面內側保護層沒有發生破壞，核心混凝土、剪力鍵和箍筋未發生破壞，如圖3(b)所示。

2 試驗結果分析

2.1 滯回曲線

2組模型的力-位移滯回曲線如圖4所示。對于普通模型，滯回曲線具有較好的對稱性，水平位移比例在0%～2%期間承載力不斷增大，在2%～7%之間基本保持不變，超過7%后承載力迅速下降，達到最大位移時，正向承載力下降為最大正向承載力的75%，負向承載力下降為最大負向承載力的85%。

(a) 普通模型

(b) 鋼纖維模型

對于鋼纖維模型，在水平位移比例在1%以內時，滯回曲線基本對稱。超過1%后的滯回曲線正負向則有明顯的不對稱現象，正向最大承載力為96.4 kN，負向最大承載力只有77.6 kN。在正向上，隨著水平位移的增加，承載力不斷上升，達到最大位移時，正方向承載力為最大正向承載力的99%；在負向上，水平加載位移比例超過7%時，承載力開始下降，達到最大位移時，負向承載力為最大正向承載力的87%。滯回曲線不對稱原因主要與正負向兩側混凝土的損傷范圍不同有關，正向側混凝土損傷范圍小，能提供更多的承載力。與普通模型相比，鋼纖維模型滯回曲線表現出更強的捏縮性。

2.2 骨架曲線

2組模型骨架曲線和曲線特征點如圖5和表2所示。其中屈服位移和屈服力是根據骨架曲線采用作圖法[6]計算得到，纖維模型正向最終狀態未達到極限狀態條件(承載力下降為最大力的85%)。

圖5 骨架曲線

由圖5和表2的結果可見，普通模型和鋼纖維模型在正負向上的屈服位移和屈服力基本一致，正向屈服位移為10.9 mm和11.1 mm，屈服力為63.5 kN和64.5 kN，負向屈服位移為-8.5 mm和-8.3 mm，屈服力為-61.6 kN和-58.9 kN。在屈服后，普通模型正負向都達到了極限狀態條件，即承載力下降到最大承載力的0.85倍；而鋼纖維模型在達到最大試驗水平位移時，正方向極限承載力未見明顯下降，負向承載力是負向最大水平力的0.87倍，因此，可認為鋼纖維模型極限位移能力大于202.5 mm。

表2 骨架曲線特征值

2.3 耗能

2組模型的累積滯回耗能如圖6所示。相對于整體現澆橋墩和帶耗能鋼筋的預制節段拼裝橋墩[7]，本文中的2組模型滯回特性相似，耗能能力弱，耗能能力基本是隨著加載位移量線性增長，在位移量超過80 mm后，普通模型混凝土因損傷加速，耗能能力比鋼纖維模型大30%。致使耗能能力一致的主因是試驗模型無耗能鋼筋，主要通過混凝土進入非線性后進行耗能。而試驗中普通模型混凝土的開裂、破壞的耗能較多，而鋼纖維模型混凝土損傷小，混凝土受損程度的差異造成了2組模型耗能能力差別。

圖6 每個加載周期的滯回耗能

3 結論

通過普通自密實混凝土和鋼纖維自密實混凝土節段拼裝橋墩的擬靜力試驗，以及試驗中節段接縫破壞特點、力-位移滯回曲線和耗能能力的分析，得到以下結論：

1) 在達到同等水平位移時，普通自密實混凝土模型J1節段底部20 cm范圍內保護層混凝土全部剝落，核心混凝土嚴重破壞，箍筋發生屈曲，而鋼纖維自密實混凝土模型僅為保護層局部混凝土破壞，核心混凝土和混凝土剪力鍵無明顯損傷，有良好的抗震性能。

2) 鋼纖維可對混凝土進行有效約束，可延緩節段接縫處裂縫的發展和保護層混凝土剝落，減少核心混凝土的損傷，但是在擬靜力試驗中，采用鋼纖維自密實混凝土的預制拼裝橋墩節段耗能能力并沒有提高。

3) 擬靜力試驗不能體現出鋼纖維自密實混凝土在節段拼裝橋墩接縫處的沖擊耗能能力，對于該方面需要進一步試驗研究。