超高性能混凝土加固矩形桥墩抗震性能试验研究

摘要：为研究采用超高性能混凝土进行加固的矩形桥墩的抗震性能，根据抗震要求设计制作了两个全尺寸桥墩试件，一个为未加固的对比试件，一个为使用超高性能混凝土加固的试件。采用拟静力试验方法研究试件的失效模式及滞回特性，试验结果表明：使用超高性能混凝土加固的矩形桥墩试件具有较好的耗能能力，柱底形成塑性铰，混凝土未发生损坏，破坏模式为韧性破坏，而未加固试件的破坏模式为脆性破坏。

关键词：桥墩抗震加固；超高性能混凝土；拟静力试验；滞回特性

0 引言

研究过去发生的桥梁震害表明，钢筋混凝土桥墩是地震中的易损构件，大量钢筋混凝土桥墩因在地震中破坏而导致整座桥梁倒塌[1-2]。提升桥墩的抗震性能是实现桥梁基于性能抗震设计的关键，因此对桥墩的加固与修复技术进行研究尤为重要[3]。

传统的桥墩加固方法包括增大截面加固法[4]、体外预应力加固法[5]、FRP加固法等，目前这些方法已得到一定应用，但各自的不足与局限性也十分明显。例如增大截面法增大了结构自重，施工周期较长。体外预应力加固法施工工艺复杂。FRP加固法成本较高，对结构表面平整度要求较高。此外，这些方法且大多是针对圆形和方形桥墩开发的，关于矩形桥墩的研究较少。

超高性能混凝土作为一种新型纤维增强水泥基复合材料，因具有高强度、高耐久性、高韧性以及良好的工作性能，近几年得到了快速发展[6]。彭超凡[7]对采用UHPC连接的预制柱进行了拟静力试验，试验结果显示，搭接长度为10d的UHPC连接试件与整浇构件的抗震性能相当。

鉴于此，本文采用UHPC套箍约束桥墩底部塑性铰区域的抗震加固新方法，采用拟静力试验，对采用该新型加固方法的桥墩抗震性能进行评估，研究了试件的破坏形态、变形能力及耗能能力，并与未加固桥墩的抗震性能进行了对比，证明了该加固方法的有效性，为该加固方法的实际应用提供理论基础和参考。

1 矩形桥墩破坏模式和加固技术

1.1 矩形桥墩破坏模式

在遭受严重地震作用的矩形桥墩中，许多桥墩的破坏是由于纵向抗弯强度不足或横向抗剪强度不足，造成桥墩在搭接区域出现剪切破坏。劈裂裂缝可能在受拉面形成，但也可能在钢筋平面上形成，与受拉面平行。矩形桥墩纵向典型破坏模式如图1所示。柱面搭接处的典型劈裂裂缝如图2所示。

1.2 传统加固解决方案不足

传统的圆形或方形柱的加固解决方案，通常是在现有柱周围放置由普通混凝土、焊接钢板或玻璃钢制成的围套，依靠这些围套增加混凝土核心筒的密实度，从而提高搭接接头的抗压能力。然而，这些技术并不适用于长宽比大于2的矩形柱，主要原因是夹层尺寸过大，限制了了约束材料的作用，且桥墩不能过度加宽。

顾冬生等[8]研究了纤维增强复合材料约束混凝土圆柱的抗震性能以及破坏模式。研究结果表明：使用FRP加固高轴压比的钢筋混凝土短圆柱，可有效提高其抗震性能，能使试件从脆性剪切破坏，逐步过渡到有较好延性的弯曲破坏。但实际工程中，FRP加固材料的强度利用率较低，且FRP一般采用有机胶与混凝土粘结，二者的相容性较差。

1.3 新加固技术的优势

本文研发的加固技术是在搭接区域中使用UHPC夹层，以对现有柱进行改造，如图3所示。即将现有的混凝土覆盖层拆除，使传力杆和钢筋暴露出来，用UHPC围套替换现有的混凝土覆盖层。该技术是通过使用UHPC来增强杆件的锚固性能，从而使传力杆能够在搭接拼接区域之外屈服，并提供所需的延展性。当桥墩发生纵向挠曲破坏时，其能有效减缓劈裂裂缝的扩展，使搭接区域的钢筋屈服。

2 试验概况

2.1&nbR1iaaFRZNHZCLrvWlmUseVzXckxyonEU3w86NWYHE0c=sp; 试件设计与制作

试验制作了两个桥墩试件，其中一个试件未加固，另一个使用UHPC围套加固，桥墩截面尺寸为500mm×

2000mm，高度为5250mm。混凝土强度按C30设计，桥墩纵筋采用直径为24mm的HRB400钢筋，箍筋间距为300mm。桥墩构造如图4所示。

加固试件的混凝土保护层和搭接钢筋周围的混凝土，使用凿岩锤进行拆除。将UHPC围套垂直放置，以符合实际现场施工情况，总共倒入0.5m3的UHPC，使UHPC完全包裹住钢筋，无需振动。搭接区域UHPC制备如图5所示。

2.2 确定试验材料

试验采用的UHPC由普通硅酸盐水泥、硅灰、矿粉、石英砂、钢纤维、减水剂和水制备，其中水泥、硅灰、矿粉的质量比为1：0.25：0.1。试验采用端钩钢纤维，其掺量为240kg/m3，性能指标见表1。采用边长为100mm的立方体试块，测得UHPC的立方体抗压强度为130MPa，等效弯曲强度为25MPa，和易性良好。

2.3 加载方案与测点布置

试件通过8根预应力钢筋锚固在实验室地板上。将钢筋张拉，以保持基脚与地板的充分接触。将两个500kN的MTS作动器固定在试样顶部和L形反力墙上，施加水平荷载，并测量UHPC围套应用效果。施加重力荷载会增加弯曲强度，从而增加对剪切承载力的需求。未施加垂直荷载，是为了避免试件产生挠曲破坏。测试装置如图6所示。对试件进行低周循环加载试验，控制位移的变化，当延性等级达到5后停止加载。加载模式如图7所示。

3 试验结果分析

3.1 试件破坏过程分析

试件呈现出两种不同的破坏模式，对于对比试件，当位移达到10mm时试件产生一条水平裂缝。继续加载，试件底部塑性铰区水平裂缝数量持续增加。加载至50mm时，钢筋开始屈服。当加载至100mm时，试件强度迅速下降，在搭接区沿着钢筋形成劈裂裂缝，导致钢筋滑动，进而发生脆性破坏，无任何延性现象。

分析认为，加固后的试件表现出出色的滞回响应，强度一直增强，直到位移达到250mm，且表现出完全不同的破坏模式。UHPC围套阻止了开裂裂缝的形成，且使得搭接区域的混凝土能够维持钢筋之间的载荷传递作用，并因此发展出足够的强度来抵抗施加的载荷。此外，在加固试件的底部搭接区域下方传力杆中，加固试件的底部形成了塑料铰链。

将加载设置进行修改，进行一个推挤试验，结果施加的载荷在位移365mm时达到367kN。由于试验条件限制，试验被迫中止。在这个过程中，两根钢筋在拉伸中断裂，试件没有显示任何损坏的迹象。

3.2 试件滞回曲线分析

水平荷载-位移滞回曲线对比如图8所示。从图8可以看出，UHPC加固桥墩试件的滞回曲线形状较为饱满，捏缩现象不显著，说明其耗能能力及抗震性能优于未加固试件。未加固桥墩发生脆性剪切破坏，滞回耗能能力严重不足。UHPC加固桥墩试件的峰值位移和承载力均高于对比试件，UHPC加固层可以直接承担剪力，且UHPC加固层中的钢纤维发挥了桥接作用，能够遏制弯剪裂缝的发展。

4 结束语

本文通过UHPC加固钢筋混凝土桥墩拟静力试验，得出以下结论：未加固桥墩的塑性铰区域混凝土严重损坏，发生具有显著脆性破坏；UHPC加固层可以通过改变破坏机制的性质来显著提高矩形桥墩的延性，UHPC加固桥墩试件韧性较高，发生延性破坏。

UHPC加固钢桥墩的滞回曲线较为饱满，没有明显的捏缩现象，说明UHPC加固层可以对塑性铰区的Q13ak+oFTPZLCpuq4dbZXQ==核心混凝土起到套箍作用，从而提高桥墩的变形能力。

参考文献

[1] 范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 黄建文，朱晞.近场地震作用下钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计[J].土木工程学报，2005（4）：84-90.

[3] 曹兴，魏洋，李国芬，等.钢筋混凝土桥墩加固与修复技术研究[J].施工技术，2011，40（15）：60-64.

[4] 陈正旵.增大截面法加固桥墩施工技术研究[J].交通世界，2020.542（20）：116-117.

[5] 何舒婷.体外预应力技术在连续梁桥加固中的应用[J].建筑技术，2016，47（12）：1089-1091.

[6] 徐文靖，邵晓东，马骉，等.采用UHPC连接的预制拼装桥墩构造及试验研究[J].土木工程学报，2022，55（12）：105-116+127.

[7] 彭超凡，郑七振，龙莉波，等.以UHPC材料连接的预制柱抗震性能试验研究[J].建筑施工，2016，38（12）：1711-1713.

[8] 顾冬生，吴刚，吴智深，等.CFRP加固高轴压比钢筋混凝土短圆柱抗震性能试验研究[J].工程抗震与加固改造，2006（6）：71-77.