不同轴压比下聚丙烯纤维增强混凝土墩抗震性能试验研究

贾 毅，赵人达，王永宝，李福海,3

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024；3.西南交通大学 陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，四川 成都 610031)

桥墩作为桥梁结构的重要组成部分，同时也是桥梁抗震研究最核心的对象。在所有影响桥墩抗震性能的参数中，轴压比会对桥梁的抗震性能产生较大影响[1-2]。针对此参数，国内外学者开展大量的试验研究，研究表明在高轴压比下，普通钢筋混凝土桥墩的延性和耗能能力明显降低，桥墩在地震作用下呈明显的脆性破坏[3-4]。为提高桥墩在高轴压比下的变形能力，改善桥墩在地震作用下的受力性能，可以采用纤维增强混凝土代替普通混凝土，这也是目前提高混凝土结构抗震性能的有效措施之一[5]。

聚丙烯纤维增强混凝土(PP-ECC)是高延性工程水泥基复合材料(ECC)的一种，与普通混凝土相比，该材料的弹性模量较低，但具有较高的延性和耗能能力[6]。在单轴拉伸荷载作用下具有应变硬化特性，极限拉应变可稳定达到3%以上，并且在抗拉荷载作用下裂缝开展表现为多条细密裂缝的微观开裂模式，具有优越的裂缝分散和控制能力[7]。ECC是高耗能部位混凝土的理想替代品，可与钢筋协调工作，适合用于土木工程领域，可弥补普通混凝土结构耗能低的缺点[8]。文献[9-10]对采用PP-ECC材料的梁柱节点试件进行拟静力试验研究，分析梁柱内箍筋含量对试件破坏特征、滞回性能及耗能的影响。文献[11]通过拟静力试验研究聚丙烯纤维增强水泥复合材料(PFRC)和钢纤维增强混凝土(SFRC)对桥墩抗震性能的影响。文献[12]通过试验研究延性纤维增强水泥基复合材料(DFRCC)装配式桥墩的抗震性能特点。文献[13]研究3根不同配筋率PVA-ECC柱在高轴压比下的抗震性能，结果表明， PVA-ECC柱均发生弯曲破坏，没有出现劈裂、剥落和黏结破坏，随着箍筋间距的减小，结构延性得到改善。文献[5]对配筋PVA纤维增强混凝土柱进行高轴压比下的拟静力试验研究表明，PVA纤维柱表现为延性破坏模式，并具有良好的塑性变形能力和损伤容限。文献[14]对4根高轴压比、高强混凝土柱进行低周反复水平荷载试验，结果表明，高强混凝土柱发生弯曲破坏，箍筋间距较小试件的滞回曲线饱满、滞回环面积大，耗能大、延性好。文献[15]对3个新型混合装配式混凝土剪力墙在不同轴压比下进行抗震性能试验研究，结果表明，随着轴压比的降低，试件刚度明显降低，残余变形增大，耗能能力提高。文献[16]对22根钢-聚丙烯混杂纤维混凝土框架柱进行拟静力试验研究，结果表明，钢-聚丙烯混杂纤维在增强柱的耗能能力方面优于钢纤维或聚丙烯纤维，随着轴压比的增加，其发挥的作用增大。文献[17]采用FRC柱和1个普通混凝土柱对5个潜在塑性铰区进行拟静力试验，研究FRC区高度、强度和柱轴压比对其抗震性能的影响，结果表明，与普通钢筋混凝土柱相比，塑性铰区采用FRC且配筋较少的柱，具有较好的变形能力和损伤容限。文献[18]对2根不同轴压比钢筋混凝土矩形空心墩柱进行水平双向加载拟静力试验，分析不同轴压比下桥墩破坏机制、承载能力、延性、刚度、耗能能力等方面的抗震性能，结果表明，轴压比从0.1增加到0.2时，试件承载能力、刚度和耗能能力都明显提高，延性性能下降不明显。

以上研究成果均表明，轴压比对ECC桥墩、普通混凝土桥墩以及剪力墙结构在低周反复荷载作用下的破坏模式和受力性能都有较大影响，在桥梁抗震设计中桥墩的轴压比需要严格控制在合理范围内。然而，目前国内外关于局部采用PP-ECC桥墩抗震性能试验研究的报道较少。

本文设计制作不同轴压比、不同试件高度的PP-ECC桥墩试件，开展低周反复荷载作用下的拟静力试验，全面研究其抗震性能，并讨论轴压比参数对试件破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、强度衰减、刚度退化和耗能能力等抗震性能指标的影响规律。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验共设计4个桥墩试件，试件的编号及参数见表1。所有桥墩试件一端固定，另一端自由。全部试件均为方形实心截面墩，横截面尺寸为300 mm×300 mm，加载点至承台顶面距离为2 100 mm，用于模拟剪跨比为7.0的高墩桥梁。试件的箍筋间距为70 mm，体积配箍率ρv为0.79%，纵筋率ρl为1.51%，各试件的钢筋配置相同。试件截面尺寸及配筋构造如图1所示。

表1 试件参数

图1 试件尺寸及配筋详图

试件制作和养护过程如图2所示。首先绑扎钢筋笼、制作模板，然后浇筑承台普通混凝土，待承台混凝土初凝结后浇筑墩底PP-ECC，当PP-ECC有一定强度后浇筑墩身其余普通混凝土。

图2 试件制作过程

1.2 材料力学性能

试验采用单丝聚丙烯(PP)纤维，其主要物理性能参数见表2。PP纤维抗拉强度高、弹性模量小、延伸率高、在水泥基体中分散性好并与水泥基体之间有良好的握裹性[8]。为测定普通混凝土和PP-ECC的抗压强度，同期制作了3个边长为150 mm的标准立方体试块，与桥墩试件在相同条件下养护28 d后，测试普通混凝土和PP-ECC抗压强度平均值分别为28.6、27.2 MPa。桥墩纵向钢筋采用12 mm的HRB400热轧带肋钢筋，其屈服强度和极限强度试验平均值分别为442.5 MPa和616.8 MPa；箍筋采用6 mm的HRB400热轧带肋钢筋，其屈服强度和极限强度试验平均值分别为440.6 MPa和612.4 MPa。材料力学试验设备如图3所示，普通混凝土和PP-ECC试块抗压试验最终破坏形态如图4所示。由图4可知，普通混凝土试块破坏时大面积剥落、劈裂，承载能力下降较快，而PP-ECC试块破坏时仍保持较好的整体性，仅产生大量竖向细密裂缝，承载能力下降缓慢。

表2 PP纤维基本性能

图3 材料试验设备

图4 试块破坏形态

2 试验加载和量测方案

2.1 试验装置

本次试验装置主要由1台500 kN MTS液压伺服加载系统、1个3 200 kN液压千斤顶、反力墙、反力架、反力梁、低摩阻滑板小车、球铰、地锚螺栓等组成，试验加载示意及实景如图5所示。试验时，首先通过液压千斤顶施加竖向荷载并保持恒定，通过MTS液压伺服作动器对墩顶施加水平荷载。为保证试验过程中竖向荷载垂直施加于墩顶中心，在反力梁与千斤顶之间设置低摩阻滑板小车，在墩顶与千斤顶之间设置球铰[19]。试件承台与台座之间通过4根高强地锚螺杆固定，以保证试件在承受水平荷载时不产生整体滑移和转动。

图5 试验加载装置

2.2 加载制度

根据文献[20]的规定，试验开始前，通过竖向千斤顶施加40%目标轴向荷载，重复加卸载3次，目的是消除试件内部受力不均匀效应，并对试验数据采集设备进行调试。试验开始时，首先施加竖向荷载至预定值，并在整个试验过程中保持恒定。本次试验的水平荷载采用低周往复静力加载方法，加载制度采用荷载-位移混合控制，即试件纵向钢筋屈服前采用荷载控制分级加载，荷载级差为2.5 kN，每级控制荷载下循环1次，获得试件的开裂及屈服荷载；纵向钢筋屈服后，采用位移控制加载，按试件墩顶屈服位移δy的整倍数逐级加载，加载位移依次为δy、2δy、3δy、…，每级控制位移下循环3次，待某一级位移下试件承载能力下降到峰值荷载的85%以下时，认为试件已破坏，停止试验，获得试件的峰值及极限荷载。试件的加载制度如图6所示。

图6 试件加载制度

2.3 测点布置和数据采集

试验测试内容如下：

(1)试件墩顶加载点处的水平荷载与位移，通过MTS液压伺服加载系统自动完成记录；

(2)试件塑性铰区域纵向钢筋和箍筋的应变，通过预埋在钢筋上的3 mm×5 mm电阻应变片进行测量；

(3)试件塑性铰区域混凝土和PP-ECC的纵向应变和剪切应变，通过在试件塑性铰区域表面粘贴混凝土电阻应变片和应变花进行测量；

(4)记录整个试验过程中试件的开裂情况，利用电子裂缝观测仪测量裂缝宽度，并绘制试件的裂缝发展图。

3 试验结果及分析

3.1 破坏过程及破坏形态

整个试验过程中，4个试件的破坏过程及破坏形态基本相同，都经历了开裂、屈服、极限、破坏4个阶段，最终4个试件均因墩底受压侧纵向钢筋压屈导致承载能力下降到目标荷载(峰值荷载的85%)而破坏，各试件的最终破坏形态如图7所示。试件PEP-1和PEP-2加载到10 kN时，出现一条细微裂缝，而试件PEP-3和PEP-4首次出现裂缝发生在荷载20 kN左右，裂缝均出现在距墩底0.5 cm位置，分析认为，这主要是因为试件的试验轴压比不同，轴向压力越大，试件的开裂荷载越高。

本文以试件PEP-2为例，介绍试件的破坏过程及形态。随着荷载的持续增加，裂缝逐步由墩底向上发展，但裂缝主要集中在PP-ECC区域内，试件前后拉压侧裂缝呈相互平行的横向发展趋势，左右侧裂缝斜向发展。随着加载历程的不断发展，既有裂缝逐渐变宽，纵向钢筋在墩底位置发生屈服，此时墩底PP-ECC区产生大量细微裂缝。试件屈服后，随着墩顶加载位移的增加，新裂缝不断产生，既有裂缝逐渐连通，并伴有纤维拔出和拉断的“嘶嘶”声，在普通混凝土区域也产生数条水平裂缝。试件达到峰值荷载后，既有裂缝宽度不断增大，新裂缝产生较少，在距墩底15 cm范围内前后拉压侧产生数条竖向裂缝，同时距墩底15～20 cm范围内试件拉压侧局部PP-ECC被压鼓出，但未出现剥落、掉块现象，试件承载能力缓慢下降。当试件承载能力下降到峰值荷载的85%以下时，试件墩底的纵向钢筋受压屈曲明显，试件最终破坏。

图7 试件破坏形态

3.2 荷载-位移滞回曲线分析

桥墩试件的荷载-位移滞回曲线综合反映了结构的抗震性能，它全面记录了试件从弹性、弹塑性到最终破坏的全过程，是分析结构抗震性能的重要依据[8]。

各试件荷载-位移滞回曲线如图8所示。从图8可以看出，当水平荷载较小时，滞回曲线基本为直线，所包围的面积较小，试件的加卸载刚度基本不变，荷载、位移线性增加，试件基本处于弹性阶段。随着荷载的增加，裂缝逐渐出现，滞回曲线不断偏离直线，滞回曲线所包围面积逐渐增大，荷载、位移非线性增长，说明试件进入弹塑性阶段。试件屈服后，滞回曲线逐渐向位移轴靠近，试件的加卸载刚度退化，滞回曲线所包围面积也同时增大。峰值荷载后，随着墩顶位移的继续增加，试件的承载能力开始下降，卸载后的残余变形逐渐增大，滞回曲线变得平缓，承载能力未发生明显下降，说明试件在较大变形的情况下仍具有足够的承载能力，延性较好。

试件PEP-1和PEP-2的滞回曲线明显比试件PEP-3和PEP-4饱满，表现出更好的变形能力和耗能能力，说明轴压比越大，试件的延性越差。试件PEP-3和PEP-4的承载能力大于试件PEP-1和PEP-2，但峰值荷载后，试件PEP-3和PEP-4的承载能力和刚度衰减速度较快，表明轴压比越大，试件的强度和刚度退化越严重，而随着PP-ECC区高度的增加，这种现象得以改善，说明增加塑性铰区PP-ECC高度可以提高高轴压比下PP-ECC桥墩的变形能力和耗能能力。

图8 试件滞回曲线

3.3 骨架曲线分析

骨架曲线是将试件的荷载-位移滞回曲线各级循环的峰值点连接起来的包络线[21]，各试件的骨架曲线如图9所示。

图9 试件骨架曲线

由图9可以看出，4个试件的骨架曲线均由上升段、强化段和下降段三部分组成；对比试件PEP-1和PEP-3可知，加载前期，试件PEP-3骨架曲线斜率明显大于试件PEP-1，说明当PP-ECC区高度相同时，试验轴压比越大，试件的初始侧移刚度越大；与试件PEP-1和试件PEP-2相比，试件PEP-3和PEP-4具有较高的承载能力，说明增加轴压比可以增强裂缝之间基体的咬合和摩擦作用，进而提高试件的水平承载能力；达到峰值荷载后，试件PEP-1、PEP-2、PEP-4保持一段平稳的耗能阶段，下降段光滑平稳，没有明显的拐点，而试件PEP-3达到峰值荷载后，承载能力急剧下降，承载力拐点明显，延性较差，说明增大试件的轴压比，其延性和整体稳定性将变差，但增加PP-ECC区高度可以在一定程度上改善高轴压比结构的延性性能和稳定性。

3.4 强度衰减分析

强度衰减是位移幅值不变的情况下结构的强度随着循环次数的增加而不断降低的现象。通常采用强度衰减系数ηi表示

( 1 )

表3 各试件在不同位移等级下的强度及衰减系数

图10 强度衰减系数与加载位移关系曲线

从图10可以看出，试件PEP-1、PEP-2和PEP-4的强度衰减系数为0.891～0.989，在一个相对稳定的范围内变化，试件的强度衰减较慢。而试件PEP-3的强度衰减系数为0.777～0.865，其强度衰减系数明显小于另外3个试件，表明该试件的强度衰减变化大，每次循环过程中结构自身的损伤较严重，结构的整体稳定性较差。这主要是因为PEP-3试件PP-ECC区域的高度相对较低同时轴压比较大。当PP-ECC区高度为250 mm时，试件的轴压比越大，其强度在每级位移循环下衰减越快，但增大桥墩PP-ECC区高度，可以减缓试件的强度衰减速度，可见轴压比和PP-ECC区高度对试件的强度衰减有一定的影响。因此，为了保证试件具有良好的承载能力稳定性，应控制PP-ECC桥墩的轴压比并选择合理的PP-ECC区高度。

3.5 刚度退化分析

刚度退化是指在加载过程中，随着位移的增大和循环加载次数的增加，试件的刚度逐渐减小，最终试件的刚度无法抵抗地震的作用，刚度退化反映了结构累计损伤的影响。通常采用割线刚度Ki表示试件在反复加载历程中的刚度退化特性[22]，如图11所示。割线刚度计算公式为

( 2 )

图11 割线刚度

各试件割线刚度退化曲线如图12所示。由图12可知，4个试件的刚度退化曲线大致相同，试件屈服前，刚度先快速退化，随后刚度退化速度逐步变小，峰值荷载后，曲线趋于平缓，未发生明显的刚度突变现象，说明PP-ECC桥墩具有良好的抗震性能。从加载开始到结束，在各级加载上，试件PEP-3和PEP-4的割线刚度均大于试件PEP-1和PEP-2，说明较大的轴向压力在一定程度上约束了桥墩的侧向变形，限制了PP-ECC微裂缝的发展，从而提高了PP-ECC桥墩的侧移刚度。屈服之前，试件刚度退化速度随着轴压比的增加而变快，随着PP-ECC区高度的增加而变慢，表明轴压比和PP-ECC区高度对试件屈服前刚度退化速度有一定的影响。屈服之后，4个试件刚度退化越来越缓慢，刚度退化曲线基本重合，表明轴压比和PP-ECC区高度对试件屈服后的刚度退化速度影响较小。

图12 试件割线刚度退化曲线

3.6 延性分析

延性是指试件达到极限位移之前，其承载能力未明显下降的情况下耐受非弹性变形的能力[13,19]，通常采用位移延性系数来评价试件的延性性能。依据纵向钢筋首次达到屈服应变确定试件的屈服位移，取荷载-位移骨架曲线上由最大承载力下降15%对应的位移为试件的极限位移，试件的极限位移与屈服位移的比值定义为位移延性系数μ[23]，见式( 3 )。试件的极限位移转角(侧移比)也是衡量结构变形性能的指标之一[24]，将试件的极限位移与桥墩有效高度H的比值定义为极限位移转角θu，见式( 4 )。各试件的屈服位移、极限位移、延性系数、极限位移转角见表4。

( 3 )

( 4 )

表4 试件屈服位移、极限位移、延性系数及极限位移转角

由表4可知：在轴压比相同的条件下，试件PEP-2的位移延性系数大于试件PEP-1，试件PEP-4的位移延性系数大于试件PEP-3，说明增大墩底PP-ECC区高度可以有效提高结构的延性性能，增强桥墩的抗震性能。与PEP-1和PEP-2相比，PEP-3和PEP-4位移延性系数分别降低了56.4%和15.4%，极限位移转角分别降低了44.9%和17.1%，这说明在相同PP-ECC区高度下，试件的位移延性和极限位移转角随着轴压比的增加而降低，轴压比越小的试件变形能力越好，这与普通混凝土桥墩表现的性能一致。

3.7 耗能性能分析

耗能性能是衡量结构抗震性能的一个重要指标。荷载-位移滞回曲线所包围的面积反映了结构耗能的大小，即包围的面积越大，耗散的能量越多，结构的耗能性能越好[25]。由于各试件的加载历程不同，本文采用Clough和Penzien提出的等效黏滞阻尼系数ξeq(式( 5 ))来评价结构在地震中的耗能性能[26]，ξeq越大，结构的耗能能力越强，抗震性能越好。等效黏滞阻尼系数计算示意如图13所示。

( 5 )

式中：SEBC+SFBC为一次加卸载循环中试件所耗散的地震能量；S△OAF+S△ODE为理想的弹性结构在达到相同位移时吸收的能量。

图13 等效黏滞阻尼系数计算示意

各试件在开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载和极限位移时所对应的等效黏滞阻尼系数见表5。由表5可知：随着试验荷载等级的增加，PP-ECC桥墩试件的等效黏滞阻尼系数呈增大的趋势，当试件达到极限位移时，其等效黏滞阻尼系数达到最大值，说明PP-ECC桥墩的耗能能力随着加载进程的发展不断增强；在极限位移时，试件的等效黏滞阻尼系数为0.296～0.358，而普通钢筋混凝土桥墩达到极限位移时的等效黏滞阻尼系数约为0.2[27]，说明局部采用PP-ECC可以提高桥墩的耗能能力，增强桥墩的抗震性能；试件PEP-3和PEP-4在不同加载阶段的等效黏滞阻尼系数均大于试件PEP-1和PEP-2，说明轴压比对试件的黏滞阻尼系数有一定的影响，即随着轴压比的增加，试件的耗能能力有一定的提高，相对较高的轴向压力有利于箍筋对核心PP-ECC的约束，更能发挥PP-ECC桥墩的抗震性能。

表5 试件等效黏滞阻尼系数

4 结论

(1)在低周反复荷载作用下，不同轴压比和不同PP-ECC区高度试件破坏过程和破坏形态相似，均经历了开裂、屈服、极限和破坏4个阶段，最终破坏时纵向钢筋受压屈曲，PP-ECC保护层未剥落，核心PP-ECC保持良好，说明局部采用PP-ECC的桥墩具有较高的耐损伤能力。

(2)轴压比对试件的强度衰减和刚度退化有一定影响，轴压比越大，强度衰减速度越快，刚度退化越严重，试件的整体稳定性越差，增加PP-ECC区高度可以在一定程度上减缓强度衰减和刚度退化的速度。

(3)在其他条件均相同的情况下，PP-ECC桥墩的位移延性和极限位移转角随着轴压比的增加而降低，轴压比越小的试件变形能力越强，这与普通混凝土桥墩表现出来的性能一致。

(4)轴压比对PP-ECC桥墩的等效黏滞阻尼系数、承载能力和初始刚度有一定的影响，随着轴压比的增加，试件的耗能能力、承载能力和初始刚度都有一定的提高，说明相对较高的轴向压力有利于箍筋对核心PP-ECC的约束，更能发挥PP-ECC桥墩的抗震性能。

(5)PP-ECC桥墩的耗能能力随着试验荷载的增加不断增强，当试件达到极限位移时，其等效黏滞阻尼系数为0.296～0.358，大于普通混凝土桥墩达到极限位移时的等效黏滞阻尼系数，说明局部采用PP-ECC可以提高桥墩的耗能能力，增强桥墩的抗震性能。