預(yù)制ECC 管混凝土橋墩擬靜力試驗研究

徐梁晉，王義博，張志剛，林 昕，張 超

(1. 重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045；2. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；3. 重慶工商職業(yè)學(xué)院城市建設(shè)工程學(xué)院，重慶 400052；4. 重慶市建筑科學(xué)院有限公司，重慶 400016)

我國國家公路網(wǎng)規(guī)劃強調(diào)將提高交通網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性和應(yīng)急保障能力作為發(fā)展要求，而橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)中重要的節(jié)點，其抗震性能需要引起足夠的重視。鋼筋混凝土橋墩廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，該類橋墩的震害屢見不鮮，因此，提升鋼筋混凝土橋墩的抗震性能成為各國抗震研究的重點之一。普通混凝土抗彎、抗拉性能較差，材料本身為脆性破壞；而鋼筋的截面配箍率、縱筋配筋率以及鋼筋強度在多因素影響下具有上限，上述兩方面限制了鋼筋混凝土橋墩抗震性能的進一步提升[1-2]。

美國密歇根大學(xué)Li 等[3]于20 世紀(jì)90 年代提出了超高延性水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites, 簡稱ECC)，它是基于斷裂力學(xué)、微觀物理力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)原理優(yōu)化設(shè)計而來。ECC 在受拉時呈現(xiàn)出類似金屬的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，極限拉應(yīng)變可達3%～5%，約為普通混凝土的300 倍～500 倍，且拉伸過程中材料表面出現(xiàn)多裂縫開裂現(xiàn)象，裂縫寬度均在100 μm 以下[4]。在地震反復(fù)荷載作用下，ECC 可以有效控制裂縫發(fā)展，避免外層ECC 剝落[5]。另外，在微裂縫狀態(tài)下，ECC 中未水化的水泥和粉煤灰可與環(huán)境中的水發(fā)生水化反應(yīng)，其產(chǎn)物可有效填充裂縫，使得ECC具有一定的自愈合能力。國內(nèi)外學(xué)者已將ECC 材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域，先后開展了一系列抗震性能試驗和理論研究。鄧明科等[6]提出一種采用ECC 面層加固磚墻的方法，并通過擬靜力試驗驗證了ECC 面層對提升砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的有效性。張遠淼等[7]采用擬靜力試驗研究了采用ECC修復(fù)后的震損鋼筋混凝土剪力墻的抗震性能。張富文等[8]針對震損鋼筋混凝土框架提出了采用ECC 加固修復(fù)的方法，并開展了相關(guān)的振動測試和低周反復(fù)荷載試驗。賈毅等[9-10]對墩底塑性鉸區(qū)采用PP-ECC 的橋墩進行了擬靜力試驗研究，對比分析了PP-ECC 高度和軸壓比對橋墩延性、承載力、耗能以及剛度等抗震性能指標(biāo)的影響。蔡景明[5]對鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱進行了低周往復(fù)加載試驗，并基于有限元模型探討了各參數(shù)對該組合柱受力性能的影響。以上研究成果均表明，將ECC 應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中能降低結(jié)構(gòu)的損傷程度，改善結(jié)構(gòu)的變形能力，提高結(jié)構(gòu)的承載力和耗能，從而提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。但是ECC 的材料性能與制備工藝存在較大關(guān)系，現(xiàn)場拌制的ECC 質(zhì)量不易控制。將橋墩ECC 部分進行預(yù)制，能有效推廣ECC 在橋墩抗震中的運用。預(yù)制橋墩體系具有快速施工優(yōu)勢，在非震區(qū)、低烈度區(qū)中已得到較廣泛應(yīng)用[11]。日本學(xué)者從20 世紀(jì)90 年代提出了一種預(yù)制外殼現(xiàn)澆核心混凝土組合柱，該柱與傳統(tǒng)預(yù)制混凝土柱相比，可有效減輕預(yù)制構(gòu)件重量、降低運輸、吊裝成本，尤其對于橋墩這樣體積較大的柱式構(gòu)件，其優(yōu)勢更加顯著[12]。國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)靜力性能和抗震性能的試驗研究和理論分析[13-19]。結(jié)果表明：當(dāng)預(yù)制外殼現(xiàn)澆核心混凝土柱承受軸壓、彎曲或剪切荷載時，預(yù)制管與現(xiàn)澆核心混凝土協(xié)同工作性能良好，其受力性能與普通混凝土柱相似；在抗震性能試驗中，預(yù)制外殼現(xiàn)澆核心混凝土柱的彈性剛度、極限強度和極限轉(zhuǎn)角等性能指標(biāo)等于甚至高于現(xiàn)澆混凝土柱，且破壞模式無明顯差異；當(dāng)預(yù)制管采用UHPC 代替普通混凝土后，構(gòu)件依然具有良好的整體性且抗震性能有所提升。

結(jié)合ECC 材料和預(yù)制外殼現(xiàn)澆核心混凝土柱的優(yōu)點，本文提出了一種預(yù)制ECC 管混凝土橋墩。該新型橋墩由外層預(yù)制ECC 管和管內(nèi)現(xiàn)澆混凝土組成。其主要特點在于：1)預(yù)制ECC 管可在預(yù)制場規(guī)模化加工成型，有效控制ECC 材料性能的穩(wěn)定性；2)預(yù)制ECC 管作為免拆模板，可節(jié)約成本，加快施工速度；3)外側(cè)ECC 管可防止塑性鉸區(qū)混凝土剝落后引起的鋼筋屈曲，降低墩身的損傷程度；4)在正常使用過程中，即使橋墩表面出現(xiàn)了微裂縫，但ECC 材料在雨水作用下具有一定的自愈合能力，可提升橋墩的耐久性。該新型橋墩的制作過程如圖1 所示。首先，將管內(nèi)鋼筋籠底部與底座預(yù)埋鋼筋搭接，并在鋼筋籠外側(cè)套上預(yù)制ECC 管；而后在ECC 管外根部放置接縫處鋼筋網(wǎng)，并在接縫處注入早強灌漿料；最后，以ECC 管作為永久模板，澆筑核心混凝土。為研究該橋墩抗震性能，本文設(shè)計并制作了1 個普通鋼筋混凝土橋墩試件和3 個預(yù)制ECC 管混凝土橋墩試件。通過擬靜力試驗得到了上述試件的開裂過程、破壞形態(tài)以及水平力-位移滯回曲線等試驗結(jié)果。通過分析各試件極限承載能力、累計耗能、延性系數(shù)、剛度退化以及殘余位移等抗震性能指標(biāo)，對比了預(yù)制ECC 管混凝土橋墩與普通鋼筋混凝土橋墩抗震性能的差別，明確了軸壓比和塑性鉸區(qū)截面形式對預(yù)制ECC 管混凝土橋墩抗震性能的影響。本文的相關(guān)研究成果可為預(yù)制ECC 管混凝土橋墩的進一步研究提供參考。

圖 1 預(yù)制ECC 管混凝土橋墩試件制作過程Fig. 1 Fabrication of concrete-filled prefabricated ECC tubular pier specimens

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

本文共設(shè)計了4 個試件，如圖2 所示，試件總高度均為1.68 m，其中底座高度為0.45 m，橋墩截面均為300 mm×300 mm，且配筋相同。其中RC 為對比試件，采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土矩形截面，試件ECC1～試件ECC3 均為ECC 管混凝土試件，試件ECC1為基準(zhǔn)試件，試件ECC2 研究軸壓比對抗震性能的影響，試件ECC3 研究塑性鉸區(qū)是否全截面采用ECC 對抗震性能的影響。具體及試件尺寸和配筋以及參數(shù)取值見圖2 和表1。

除箍筋使用HRB335 鋼筋外，其余鋼筋均采用HRB400 鋼筋。鋼筋材料性能參數(shù)見表2。實測混凝土立方體抗壓強度為50.74 MPa；實測高強砂漿立方體抗壓強度為57.18 MPa。試驗使用PVAECC 材料，由聚乙烯醇纖維、砂、水泥、礦物摻合料和增稠劑組成，配合比見表3。ECC 拉伸試驗過程中觀察到ECC 試件良好的應(yīng)變硬化和多裂縫開展現(xiàn)象，試件最終的開裂形態(tài)如圖3(a)所示，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3(b)所示，其開裂強度平均值ft_ECC為6.35 MPa，極限抗拉強度平均值ftu_ECC為10.10 MPa，極限拉伸應(yīng)變平均值為7.01%，通過軸心抗壓試驗得到ECC 實測抗壓強度為79.40 MPa。

1.2 加載裝置和加載制度

如圖4 所示，試驗加載裝置由水平加載系統(tǒng)和反力支撐系統(tǒng)組成。通過固定在反力墻上的電伺服作動器來施加水平往復(fù)荷載，加載點距墩頂180 mm，水平作動器最大可提供100 t 水平力，往復(fù)行程±150 mm；通過固定在三角反力架上的液壓千斤頂來提供豎向軸力，豎向千斤頂最大可提供200 t 軸力。為保證豎向千斤頂能適應(yīng)墩頂水平位移，豎向千斤頂?shù)鬃c三角反力架之間設(shè)置了低摩阻滑板小車。為保證傳力均勻，防止發(fā)生局部壓壞，在豎向作動器與墩頂之間加設(shè)了20 mm 厚鋼板。通過混凝土底座上的壓梁和錨桿將試件固定于地面，為防止試件滑動，在混凝土底座沿水平往復(fù)荷載加載方向兩側(cè)各采用兩個千斤頂?shù)肿≡嚰?/p>

圖 2 試件尺寸和配筋 /mmFig. 2 Dimensions and reinforcement details of specimens

表 1 試件主要參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

試驗采用擬靜力試驗方案。試驗開始前，以40%的設(shè)計豎向軸力為目標(biāo)荷載，進行2 次重復(fù)加卸載，以此消除試件的虛位移。試驗開始時，先通過豎向千斤頂加載至預(yù)定設(shè)計荷載值，豎向荷載加到預(yù)定值后保持不變，通過電伺服作動器施加低周往復(fù)水平荷載，為更好地對比相同位移角下不同構(gòu)件的抗震性能和損傷特性，采用位移控制加載，全程共分10 級，每級循環(huán)3 次：第1級位移幅值為1.05 mm(位移角0.1%)，第2 級位移幅值為2.1 mm(位移角0.2%)，第3 級位移幅值為5.25 mm(位移角0.5%)，第4 級位移幅值為10.5 mm(位移角1%)；此后每級以10.5 mm(位移角1%)為增量，直至試件水平荷載下降至峰值荷載的85%以下，停止試驗。試件的加載制度如圖5 所示。

表 2 鋼筋性能參數(shù)表Table 2 Propertiess of reinforcing bars

表 3 ECC 材料組成表(質(zhì)量比)Table 3 Mix ratio of ECC (mass ratio)

圖 3 ECC 拉伸試驗結(jié)果Fig. 3 The results of ECC uniaxial tension test

圖 4 試驗裝置圖Fig. 4 Test setup

圖 5 試驗加載制度Fig. 5 Loading procedure of specimens

1.3 量測方案

試驗主要測試內(nèi)容為：① 水平作動器和豎向千斤頂荷載；② 距墩柱底端350 mm、700 mm、1050 mm(水平荷載作用高度)處水平力位移以及底座水平位移(見圖6(a))；③ 試件縱筋和箍筋應(yīng)變(見圖6(b))；④ ECC 管表面應(yīng)變(見圖6(c))。

2 試驗現(xiàn)象及破壞模式

2.1 試件RC

表4 列出了試件RC 在加載過程中的主要試驗現(xiàn)象。裂縫的發(fā)展過程如圖7 所示。可以看出，加載過程中，試件RC 在塑性鉸區(qū)形成了幾條主要的裂縫，且裂縫寬度較大，加載后期出現(xiàn)混凝土大量剝落，試件主要依靠鋼筋塑性耗能，鋼筋最后發(fā)生屈曲。

2.2 試件ECC1～試件ECC 3

對于預(yù)制ECC 管混凝土橋墩試件，其裂縫發(fā)展過程具有相似之處，因此選取試件ECC1 為代表，展示該類型構(gòu)件在擬靜力試驗中典型的裂縫發(fā)展過程(圖8)。由于各試件不同階段對應(yīng)的水平位移有所差異，且破壞模式存在一定的差別，因此，表5 對試件ECC1～試件ECC3 在加載過程中的主要試驗現(xiàn)象進行了對比，圖9 也對比了試件ECC1～試件ECC3 的最終破壞形態(tài)。與試件RC 的破壞過程不同，加載過程中加載過程中試件ECC1～試件ECC3 塑性鉸區(qū)的ECC 管壁出現(xiàn)了很多非常密集的細小裂縫，破壞時主要表現(xiàn)為墩柱腳部ECC 管發(fā)生“撕裂”或被拔出，但墩身損傷程度遠低于試件RC，ECC 管壁的多裂縫開裂也消耗了部分能量，說明預(yù)制ECC 管混凝土橋墩具有更優(yōu)越的力學(xué)性能。另外，試件ECC2 的ECC 管壁裂縫比試件ECC1的少，而試件ECC3 的裂縫分布與試件ECC1 的區(qū)別不顯著。說明軸壓比越大，ECC管多縫開裂的現(xiàn)象越明顯，而塑性鉸區(qū)采用全截面ECC(ECC 管內(nèi)灌注ECC)對試件的破壞形態(tài)幾乎沒影響。

圖 6 測點布置 /mmFig. 6 Arrangement of measurements

表 4 試件RC 主要試驗現(xiàn)象Table 4 Key experimental phenomenon of specimen RC

圖 7 試件RC 裂縫發(fā)展圖Fig. 7 Crack propagation of specimen RC

圖 8 試件ECC1 裂縫發(fā)展圖Fig. 8 Crack propagation of specimen ECC1

表 5 試件ECC1～試件ECC 3 主要試驗現(xiàn)象Table 5 Key experimental phenomenon of specimens ECC1～ECC3

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線與耗能分析

圖10 為試驗得到的滯回曲線。對比圖10(a)和圖10(b)可以看出，相較于試件RC，試件ECC1的滯回曲線更加飽滿，即ECC 管混凝土橋墩比普通鋼筋混凝土橋墩具有更好的耗能能力；對比圖10(b)和圖10(c)可以看出，相較于試件ECC2，試件ECC1 的滯回曲線更加飽滿，軸壓比較大的ECC 管混凝土橋墩具有更好的耗能能力。對比圖10(b)和圖10(d)可以看出，相較于試件ECC1，試件ECC3 的滯回曲線更加飽滿，但相差并不顯著，說明塑性鉸區(qū)填充ECC 可以小幅度提升ECC管混凝土橋墩的耗能能力。

圖 9 試件ECC1～試件ECC3 破壞模式Fig. 9 Failure modes of specimens ECC1～ECC3

圖 10 各試件滯回曲線Fig. 10 The hysteresis curve of specimens

基于滯回曲線，得到累計滯回耗能如圖11 所示。對比試件RC、試件ECC1 和試件ECC3 可知，在軸壓比相同的情況下，ECC 管混凝土橋墩的累計滯回耗能均高于普通鋼筋混凝土橋墩，說明ECC 管混凝土橋墩比普通鋼筋混凝土橋墩具有更好的耗能能力。而在塑性鉸區(qū)ECC 管內(nèi)填充ECC 可一定程度地提高ECC 管混凝土橋墩的耗能能力，但效果有限。對比試件ECC1 與試件ECC2可知，在同一級荷載情況下軸壓較小的ECC 管混凝土橋墩，其累計滯回耗能更小，即軸壓比越小，耗能能力較差。

圖 11 累計滯回耗能隨位移的變化Fig. 11 The cumulative hysteretic energy consumption of specimens

3.2 骨架曲線和延性系數(shù)

各試件的骨架曲線如圖12 所示。根據(jù)骨架曲線，得到其主要特征點(屈服點、峰值點和極限點)的參數(shù)，見表6。其中，屈服點通過Park[20]法確定，峰值點為峰值荷載所對應(yīng)的點，極限點為荷載下降到85%峰值荷載時所對應(yīng)的點。為評價各試件的變形能力，計算了各試件的延性系數(shù)μ，其值為極限點位移與屈服點位移的比值，即μ=Δu/Δy。從圖12 和表6 可以看出：1) 相比于試件RC，試件ECC1 的峰值荷載和延性系數(shù)分別提高了16.66%和42.15%，試件ECC3 的峰值荷載和延性系數(shù)分別提高了39.88%和46.60%。說明在軸壓比相同時，相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋墩，ECC管混凝土橋墩具有更高的承載力和延性，即具有更好的抗震性能，且塑性鉸區(qū)全截面采用ECC 更有利于提升橋墩的承載能力和延性變形能力。2) 相比于試件ECC1，試件ECC2 的峰值荷載降低了26.05%，但延性系數(shù)卻提高了17.31%。說明軸壓比越小，ECC 管混凝土橋墩的承載能力越低，但延性變形能力越好。

圖 12 試件骨架曲線Fig. 12 The skeleton curve of specimens

3.3 剛度退化

各試件的剛度退化曲線如圖13 所示。需要說明的是，由于位移較小的時候，割線剛度對試驗數(shù)據(jù)非常敏感，且試驗中取數(shù)也存在一定的誤差，所以在位移為1.05 mm 時的割線剛度在作圖中就不再體現(xiàn)。根據(jù)圖13 可知，在加載初期，所有試件的剛度退化均較快，直到位移大于21 mm以后，各試件的剛度退化開始變得緩慢。另外，軸壓比較小的ECC 管混凝土橋墩剛度退化更加緩慢。

表 6 試件骨架曲線特征點和延性系數(shù)Table 6 Values of characteristic points on skeleton curves and ductility of specimens

圖 13 試件的割線剛度隨位移變化Fig. 13 The secant stiffness of specimens

3.4 殘余位移

各試件的每一級荷載工況下的殘余位移隨加載位移的變化曲線如圖14 所示。根據(jù)圖14 可知，各試件的殘余位移隨著水平位移的增加而逐漸增大；水平加載位移相同時，ECC 管混凝土橋墩的殘余位移略小于普通鋼筋混凝土橋墩的殘余位移。

圖 14 試件的殘余位移隨水平位移的變化曲線Fig. 14 The residual displacement of specimens

4 結(jié)論

本文提出了一種預(yù)制ECC 管混凝土橋墩，為明確該新型橋墩的抗震性能，設(shè)計了1 個普通鋼筋混凝土橋墩試件與3 個預(yù)制ECC 管混凝土橋墩試件，并開展了上述試件的擬靜力試驗研究。基于試驗結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1) 普通鋼筋混凝土橋墩破壞時墩柱腳部混凝土嚴(yán)重剝落；而預(yù)制ECC 管混凝土橋墩破壞時主要表現(xiàn)為墩柱腳部ECC 管發(fā)生“撕裂”或被拔出，但仍具有較好的整體性。ECC 的應(yīng)用有效改善了橋墩的破壞形態(tài)，降低了橋墩的損傷程度。

(2) 在相同軸壓比下，預(yù)制ECC 管混凝土橋墩的滯回曲線更加飽滿，累計滯回耗能更大，具有更好的耗能能力；其峰值荷載和延性分別比普通鋼筋混凝土橋墩的高出了16.66%和42.15%；另外，預(yù)制ECC 管混凝土橋墩的殘余位移也略小于普通鋼筋混凝土橋墩的殘余位移。上述指標(biāo)表明預(yù)制ECC 管混凝土橋墩具有更好的抗震性能。

(3) 軸壓比小的預(yù)制ECC 管混凝土橋墩，其塑性鉸區(qū)ECC 管壁出現(xiàn)的裂縫數(shù)量略少。軸壓比越小，預(yù)制ECC 管混凝土橋墩的耗能更少、承載力更低，但延性變形能力更佳，剛度退化也更為緩慢。

(4) 塑性鉸區(qū)采用全截面ECC(ECC 管內(nèi)澆筑ECC)能提升預(yù)制ECC 管混凝土橋墩的耗能能力、承載能力和延性變形能力，但對破壞過程中裂縫的發(fā)展和分布幾乎沒影響。