半装配式UHPC-混凝土组合墩柱研究与发展

陈玮悦， 欧智菁, 林上顺， 黄俤俤

(1.福建工程学院 土木工程学院， 福建 福州 350118； 2.福建工大岩土工程研究所有限公司， 福建 福州 350011)

0 引言

随着经济全球化和我国国民经济的高速发展，桥梁施工技术与施工材料显著进步，桥梁建设进入蓬勃发展的阶段。目前已建成了大量的公路桥梁、跨海大桥、城市桥梁，这些桥梁主要采用钢筋混凝土(Reinforced concrete，以下简称RC)建造。当RC桥墩长期受到海水、河流雨水冲刷后，会普遍出现保护层碳化、钢筋锈蚀等病害，这些病害后期维护成本高、修复加固难度大。因此，亟需提出一种能够对RC墩身进行有效防护的新构造，以提高桥墩的耐久性和承载力。

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，以下简称 UHPC)是法国工程师 Pierre 在 1995 年率先研发成功的一种新型水泥基复合材料。UHPC以超高强度、高韧性、耐腐蚀和体积稳定性良好等优点，逐渐成为桥梁结构材料的发展方向，并在国内外桥梁建设中得到广泛应用。UHPC目前在桥梁的上部结构和附属设施中应用居多，如广东惠清高速麻铺停车区跨线桥、广东肇庆马房大桥等。由于UHPC具有优越的耐久性和耐腐蚀等性能，将其应用于传统RC桥墩，可以很好地提高桥墩的耐久性和承载力。孙世国等[1]综合阐述了UHPC的配置技术以及UHPC良好的力学性能、构件受力性能和耐久性能。An等[2]表明填充在钢管柱中的UHPC能够限制非增强UHPC柱的脆性破坏，并形成具有增强强度和延展性的高性能构件。Hung等[3]制备了8个细长的UHPC柱构件，并进行了试验研究，结果表明，含有0.75%以上体积分数的钢纤维夹杂物能有效抑制细长UHPC柱的剥落和破碎，特别是添加1.5%体积分数的钢纤维能够补偿70%的约束钢减少，同时在偏心荷载作用下仍能增加细长柱的延性。

目前，我国道路和城市桥梁建设多采用现浇混凝土的传统施工模式，具有施工周期长、整体能耗高、对交通影响大、模板需求大等特点[4]。近年来全装配式混凝土成为研究热点，国内外开展了大量的理论研究并将其应用于实际工程中，如东海大桥、杭州湾大桥等。然而，全拼装桥墩施工中存在关键节点的不可靠性和施工、运输、吊装设备的施工的不经济性等问题，因此可考虑采用半装配式混凝土桥墩。

半装配式UHPC-混凝土组合墩柱是一种新型的组合形式，是先预制UHPC管，再浇筑核心混凝土的墩柱形式。其主要优点是可提高耐久性、加快施工效率、缩小工期、降低全寿命周期造价和维护费用，预期可成为桥梁下部结构施工建设的重要发展方向。

1 组合墩柱研究现状

目前，常见的组合墩柱包括钢-混凝土组合墩柱、钢-UHPC组合墩柱以及半装配式UHPC-混凝土组合墩柱等。其中，关于钢-混凝土组合墩柱的研究比较成熟，工程中也应用得较为广泛；常见的钢管混凝土墩柱，是在钢管内部填筑素混凝土，所形成的组合墩柱具有承载力高、延性好等优点。同时，可以将钢材的抗拉性能与混凝土的抗压性能充分结合，以获得良好的力学性能[5]。钢管混凝土组合墩柱在理论方面的研究较为成熟，在实际工程中也得到了成功应用，如广东佛陈大桥采用外包钢管加固混凝土桥墩、四川干海子特大桥采用钢管混凝土格构式桥墩等。

钢-UHPC组合墩柱是在钢材内部填筑UHPC，二者相互结合能较好地解决高强混凝土柱出现脆性破坏的问题，还能进一步减小柱的截面尺寸，充分发挥两种材料的优势。目前，湖南大学、同济大学、长安大学、福州大学等国内知名高校都陆续对其开展相关试验研究。钢-UHPC组合墩柱的研究基本处于试验和理论阶段，韦建刚等[6]对高强钢管UHPC短柱进行了轴压试验研究，分析了钢管强度和混凝土强度对轴压性能的影响，试验结果表明：相比于普通钢管UHPC柱和高强钢管普通混凝土柱，高强钢管UHPC柱中局部鼓曲现象和UHPC 的脆性有明显改善。

关于半装配式UHPC-混凝土组合墩柱的研究属于起步阶段，还在不断深入研究中。

2 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱概述

半装配式UHPC-混凝土组合墩柱是指先在工厂预制出UHPC外模，运至现场后内填素混凝土或RC(见图1)。相比传统RC柱，半装配式UHPC-混凝土组合柱采用强度高、耐腐蚀以及抗裂能力强的UHPC，能明显提高桥墩的耐久性、抗裂能力等受力性能。UHPC预制管能替代大量的钢模板，节约材料，施工后无需拆模，施工快速，质量可控，适用于城市桥梁、跨海大桥和极端恶劣的环境等。与此同时，半装配式UHPC-混凝土组合墩柱仅在混凝土墩身的外部采用薄层的UHPC，对施工影响不大，运营期间内可大幅减少组合柱的养护费用，从而大大降低桥梁结构全寿命周期成本。因此，半装配式UHPC-混凝土组合墩柱既能够对桥墩进行有效防护，又符合国家倡导的低碳、绿色、环保理念，具有广阔的工程应用前景。

图1 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱

3 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱静力研究

UHPC和混凝土组合形成的UHPC-混凝土组合结构包括无配筋和配筋两种形式。半装配式UHPC-混凝土组合墩柱与现浇整体式的钢筋混凝土墩柱(RC)相比，可节省大量的钢模板，减少现场作业量，节约工期。总的来说，关于无配筋的UHPC预制管混凝土组合墩柱理论分析和试验研究较为丰富，而有配筋的UHPC预制管混凝土组合墩柱的有关理论分析和试验研究较少，当前未见应用报道。

3.1 无配筋的UHPC-混凝土组合墩柱

无配筋的UHPC-混凝土组合墩柱是在RC墩柱的外部加一层UHPC外筒。UHPC具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和抗渗性，多用于如海洋、流速急的山区河流等恶劣极端环境条件下[7]，这是因为UHPC具有细致的材料结构与较好的抗冲蚀能力[8-9]。国内外已有将UHPC用于墩柱的研究。傅权宏[10]提出以围套的形式将UHPC作为混凝土桥墩与外界侵蚀环境的隔离层，以解决混凝土桥墩的耐久性问题。单波等[11]对预制管混凝土组合柱(CFRT)、箍筋约束混凝土柱、RPC空管进行轴压试验，结果表明CFRT的承载力显著高于相应箍筋约束混凝土柱和RPC空管的承载力之和。舒田宇等[12]对20个UHPC加固柱进行轴压性能试验(见图2)，主要研究UHPC加固方式、被加固柱混凝土强度和截面形状等因素对加固效果的影响。Dadvar等[13]研究超高性能纤维混凝土(UHPFRC)护套加固圆形RC柱的轴向性能，结果证明，采用新型纵向开槽表面处理的试样承载能力和能量吸收高于普通砂爆破技术的试样。综上所述，半装配式UHPC-混凝土组合墩柱的受力性能和静力性可能都高于原有设计。

图2 无配筋UHPC预制管轴压试验破坏照片

3.2 配筋的UHPC-混凝土组合墩柱

配筋的UHPC预制管混凝土组合墩柱是基于钢管混凝土墩柱提出的一种新型组合墩柱，能够显著提高桥墩的耐久性和承载力。陈金盛[14]从理论上研究了UHPC加固层厚度、轴压比等参数对加固桥墩的影响，结果表明:采用UHPC加固能有效提高加固桥墩的抗弯能力和曲率延性；徐荣耀[15]研究了箍筋约束粗骨料UHPC短柱的轴压力学性能，表明水胶比控制在0.143时，可以获得较好的新拌混凝土力学性能；Wu等[16]通过对5根UHPFRC-RC进行轴向荷载性能试验，发现UHPFRC管可以在极限荷载条件下发挥较大作用。朱健[17]对5根高强混凝土小偏压柱的破坏试验研究，发现在采用RPC钢筋网加固后，小偏心柱的承载能力和变形都得到较大改善；单波等[18]对RPC管-混凝土组合柱(CFRT)、箍筋约束混凝土柱、RPC空管进行轴压试验，结果表明：在加载过程中，外围RPC管能保持其完整性而不出现明显剥落，CFRT柱的承载力略高于相应箍筋约束混凝土柱和RPC空管的承载力之和，RPC管中配箍率越高，组合柱的抗压性能越好。配筋UHPC预制管轴压试验破坏照片如图3所示。

图3 配筋UHPC预制管轴压试验破坏照片

4 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱抗震研究

历次震害表明，桥梁结构发生坍塌破坏的薄弱部位大部分集中于钢筋混凝土桥墩，因此预制半装配式桥墩在中高烈度区的应用受到限制。对预制半装配式桥墩在地震作用下的极限承载力、变形和耗能能力等研究是当前的热点。

王震[19]提出利用UHPC制作自复位预制拼装UHPC空心墩。一方面，UHPC优良的力学性能可以降低震中桥墩损伤；另一方面，采用UHPC制作预制拼装桥墩，可以实现震后快速更换损伤零件。Tazarv等[20]采用UHPC作为灌浆材料进行预制拼装墩与承台间的波纹管灌浆连接。通过拟静力试验发现，采用波纹管UHPC灌浆连接的桥墩与现浇桥墩具有相似的抗震性能，试验中未发生钢筋与UHPC的粘结失效现象。

国外学者Yamanobe等[21]提出一种新型设计，即采用超高强度纤维增强混凝土(UFC)模板。对其展开双向拟静力试验发现，UFC预制模板可以使该预制桥墩耗能能力和变形能力得到提升。单波等[22]研究了CFRT柱和箍筋约束混凝土柱的抗震性能，结果表明，CFRT柱的抗震性能明显优于箍筋约束混凝土柱， CFRT柱的初始刚度和延性等得到了提高，且增加RPC管配筋率，可以提高CFRT柱的抗震性能。

5 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱试设计

陈扬弘[23]以平潭海峡大桥的桥墩为背景，开展UHPC-RC组合桥墩的试设计，提出以UHPC作为永久模板，代替原平潭海峡大桥桥墩施工所采用的钢模板，集中预制UHPC模板柱，模板柱运至现场拼装后，将绑扎好的钢笼放入模板柱内，再浇筑普通混凝土。

按照与平潭海峡大桥原设计桥墩材料用量相同的原则，设置UHPC模柱的设计壁厚为10 cm，模柱内RC柱直径为280 cm(见图4)。内核RC柱每根配置72根直径为28 mm主筋，混凝土保护层厚度为5 cm。UHPC模柱预制长度初步选定为3 m，采用上、下槽接缝结构，既有利于施工、安装、定位，又能起到防止海水直接渗入接缝的作用。接缝用环氧树脂粘接。

图4 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱试设计尺寸(单位： cm)

4 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱抗震研究

对UHPC-RC组合桥墩进行轴压试验，在加载初期，UHPC模柱表面未出现裂缝以及剥落现象，但随着荷载的增加，UHPC模柱表面开始出现细小竖向裂缝并且逐渐扩展，伴随部分钢纤维被拔出，部分模柱表现出现剥落现象，最终出现核心混凝土与UHPC模柱分离现象。研究表明：UHPC-RC组合桥墩的破坏模式为核心混凝土的横向变形，导致UHPC模柱的竖向裂缝，并出现核心混凝土与外包UHPC模柱的分离现象。但UHPC-RC组合桥墩破坏时，外包UHPC纵向应变未达到极限压应变。

6 结论

1) 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱主要优点是提高耐久性、加快施工效率、缩短工期、降低全寿命周期造价和维护费用。适用于跨海大桥、深水陡坡桥梁等特殊工程。

2) 半装配式UHPC-混凝土组合墩柱静力性能研究表明，该组合不仅提高了组合墩柱的承载能力，还延缓了钢筋的屈服，提高了半装配式UHPC-混凝土组合墩柱的耐久性。该新型组合墩柱抗震性能研究表明，UHPC预制管可以有效提高墩柱的水平承载力和位移延性，其横向强度和残余位移均高于RC桥墩，混凝土损伤较小，这对提高桥墩的抗震性能，减少桥墩的损伤是有效的。

3)以平潭海峡大桥为工程背景的UHPC-RC组合墩试设计研究表明，采用UHPC-RC组合桥墩能明显提高施工效率，提高桥墩耐久性，降低桥梁造价，并在一定程度上提高桥墩承载能力，具有良好的工程应用价值。