摘要：為研究采用超高性能混凝土進行加固的矩形橋墩的抗震性能，根據(jù)抗震要求設計制作了兩個全尺寸橋墩試件，一個為未加固的對比試件，一個為使用超高性能混凝土加固的試件。采用擬靜力試驗方法研究試件的失效模式及滯回特性，試驗結果表明：使用超高性能混凝土加固的矩形橋墩試件具有較好的耗能能力，柱底形成塑性鉸，混凝土未發(fā)生損壞，破壞模式為韌性破壞，而未加固試件的破壞模式為脆性破壞。

關鍵詞：橋墩抗震加固；超高性能混凝土；擬靜力試驗；滯回特性

0 引言

研究過去發(fā)生的橋梁震害表明，鋼筋混凝土橋墩是地震中的易損構件，大量鋼筋混凝土橋墩因在地震中破壞而導致整座橋梁倒塌[1-2]。提升橋墩的抗震性能是實現(xiàn)橋梁基于性能抗震設計的關鍵，因此對橋墩的加固與修復技術進行研究尤為重要[3]。

傳統(tǒng)的橋墩加固方法包括增大截面加固法[4]、體外預應力加固法[5]、FRP加固法等，目前這些方法已得到一定應用，但各自的不足與局限性也十分明顯。例如增大截面法增大了結構自重，施工周期較長。體外預應力加固法施工工藝復雜。FRP加固法成本較高，對結構表面平整度要求較高。此外，這些方法且大多是針對圓形和方形橋墩開發(fā)的，關于矩形橋墩的研究較少。

超高性能混凝土作為一種新型纖維增強水泥基復合材料，因具有高強度、高耐久性、高韌性以及良好的工作性能，近幾年得到了快速發(fā)展[6]。彭超凡[7]對采用UHPC連接的預制柱進行了擬靜力試驗，試驗結果顯示，搭接長度為10d的UHPC連接試件與整澆構件的抗震性能相當。

鑒于此，本文采用UHPC套箍約束橋墩底部塑性鉸區(qū)域的抗震加固新方法，采用擬靜力試驗，對采用該新型加固方法的橋墩抗震性能進行評估，研究了試件的破壞形態(tài)、變形能力及耗能能力，并與未加固橋墩的抗震性能進行了對比，證明了該加固方法的有效性，為該加固方法的實際應用提供理論基礎和參考。

1 矩形橋墩破壞模式和加固技術

1.1 矩形橋墩破壞模式

在遭受嚴重地震作用的矩形橋墩中，許多橋墩的破壞是由于縱向抗彎強度不足或橫向抗剪強度不足，造成橋墩在搭接區(qū)域出現(xiàn)剪切破壞。劈裂裂縫可能在受拉面形成，但也可能在鋼筋平面上形成，與受拉面平行。矩形橋墩縱向典型破壞模式如圖1所示。柱面搭接處的典型劈裂裂縫如圖2所示。

1.2 傳統(tǒng)加固解決方案不足

傳統(tǒng)的圓形或方形柱的加固解決方案，通常是在現(xiàn)有柱周圍放置由普通混凝土、焊接鋼板或玻璃鋼制成的圍套，依靠這些圍套增加混凝土核心筒的密實度，從而提高搭接接頭的抗壓能力。然而，這些技術并不適用于長寬比大于2的矩形柱，主要原因是夾層尺寸過大，限制了了約束材料的作用，且橋墩不能過度加寬。

顧冬生等[8]研究了纖維增強復合材料約束混凝土圓柱的抗震性能以及破壞模式。研究結果表明：使用FRP加固高軸壓比的鋼筋混凝土短圓柱，可有效提高其抗震性能，能使試件從脆性剪切破壞，逐步過渡到有較好延性的彎曲破壞。但實際工程中，F(xiàn)RP加固材料的強度利用率較低，且FRP一般采用有機膠與混凝土粘結，二者的相容性較差。

1.3 新加固技術的優(yōu)勢

本文研發(fā)的加固技術是在搭接區(qū)域中使用UHPC夾層，以對現(xiàn)有柱進行改造，如圖3所示。即將現(xiàn)有的混凝土覆蓋層拆除，使傳力桿和鋼筋暴露出來，用UHPC圍套替換現(xiàn)有的混凝土覆蓋層。該技術是通過使用UHPC來增強桿件的錨固性能，從而使傳力桿能夠在搭接拼接區(qū)域之外屈服，并提供所需的延展性。當橋墩發(fā)生縱向撓曲破壞時，其能有效減緩劈裂裂縫的擴展，使搭接區(qū)域的鋼筋屈服。

2 試驗概況

2.1&nbR1iaaFRZNHZCLrvWlmUseVzXckxyonEU3w86NWYHE0c=sp; 試件設計與制作

試驗制作了兩個橋墩試件，其中一個試件未加固，另一個使用UHPC圍套加固，橋墩截面尺寸為500mm×

2000mm，高度為5250mm?；炷翉姸劝碈30設計，橋墩縱筋采用直徑為24mm的HRB400鋼筋，箍筋間距為300mm。橋墩構造如圖4所示。

加固試件的混凝土保護層和搭接鋼筋周圍的混凝土，使用鑿巖錘進行拆除。將UHPC圍套垂直放置，以符合實際現(xiàn)場施工情況，總共倒入0.5m3的UHPC，使UHPC完全包裹住鋼筋，無需振動。搭接區(qū)域UHPC制備如圖5所示。

2.2 確定試驗材料

試驗采用的UHPC由普通硅酸鹽水泥、硅灰、礦粉、石英砂、鋼纖維、減水劑和水制備，其中水泥、硅灰、礦粉的質量比為1：0.25：0.1。試驗采用端鉤鋼纖維，其摻量為240kg/m3，性能指標見表1。采用邊長為100mm的立方體試塊，測得UHPC的立方體抗壓強度為130MPa，等效彎曲強度為25MPa，和易性良好。

2.3 加載方案與測點布置

試件通過8根預應力鋼筋錨固在實驗室地板上。將鋼筋張拉，以保持基腳與地板的充分接觸。將兩個500kN的MTS作動器固定在試樣頂部和L形反力墻上，施加水平荷載，并測量UHPC圍套應用效果。施加重力荷載會增加彎曲強度，從而增加對剪切承載力的需求。未施加垂直荷載，是為了避免試件產(chǎn)生撓曲破壞。測試裝置如圖6所示。對試件進行低周循環(huán)加載試驗，控制位移的變化，當延性等級達到5后停止加載。加載模式如圖7所示。

3 試驗結果分析

3.1 試件破壞過程分析

試件呈現(xiàn)出兩種不同的破壞模式，對于對比試件，當位移達到10mm時試件產(chǎn)生一條水平裂縫。繼續(xù)加載，試件底部塑性鉸區(qū)水平裂縫數(shù)量持續(xù)增加。加載至50mm時，鋼筋開始屈服。當加載至100mm時，試件強度迅速下降，在搭接區(qū)沿著鋼筋形成劈裂裂縫，導致鋼筋滑動，進而發(fā)生脆性破壞，無任何延性現(xiàn)象。

分析認為，加固后的試件表現(xiàn)出出色的滯回響應，強度一直增強，直到位移達到250mm，且表現(xiàn)出完全不同的破壞模式。UHPC圍套阻止了開裂裂縫的形成，且使得搭接區(qū)域的混凝土能夠維持鋼筋之間的載荷傳遞作用，并因此發(fā)展出足夠的強度來抵抗施加的載荷。此外，在加固試件的底部搭接區(qū)域下方傳力桿中，加固試件的底部形成了塑料鉸鏈。

將加載設置進行修改，進行一個推擠試驗，結果施加的載荷在位移365mm時達到367kN。由于試驗條件限制，試驗被迫中止。在這個過程中，兩根鋼筋在拉伸中斷裂，試件沒有顯示任何損壞的跡象。

3.2 試件滯回曲線分析

水平荷載-位移滯回曲線對比如圖8所示。從圖8可以看出，UHPC加固橋墩試件的滯回曲線形狀較為飽滿，捏縮現(xiàn)象不顯著，說明其耗能能力及抗震性能優(yōu)于未加固試件。未加固橋墩發(fā)生脆性剪切破壞，滯回耗能能力嚴重不足。UHPC加固橋墩試件的峰值位移和承載力均高于對比試件，UHPC加固層可以直接承擔剪力，且UHPC加固層中的鋼纖維發(fā)揮了橋接作用，能夠遏制彎剪裂縫的發(fā)展。

4 結束語

本文通過UHPC加固鋼筋混凝土橋墩擬靜力試驗，得出以下結論：未加固橋墩的塑性鉸區(qū)域混凝土嚴重損壞，發(fā)生具有顯著脆性破壞；UHPC加固層可以通過改變破壞機制的性質來顯著提高矩形橋墩的延性，UHPC加固橋墩試件韌性較高，發(fā)生延性破壞。

UHPC加固鋼橋墩的滯回曲線較為飽滿，沒有明顯的捏縮現(xiàn)象，說明UHPC加固層可以對塑性鉸區(qū)的Q13ak+oFTPZLCpuq4dbZXQ==核心混凝土起到套箍作用，從而提高橋墩的變形能力。

參考文獻

[1] 范立礎，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 黃建文，朱晞.近場地震作用下鋼筋混凝土橋墩基于位移的抗震設計[J].土木工程學報，2005（4）：84-90.

[3] 曹興，魏洋，李國芬，等.鋼筋混凝土橋墩加固與修復技術研究[J].施工技術，2011，40（15）：60-64.

[4] 陳正旵.增大截面法加固橋墩施工技術研究[J].交通世界，2020.542（20）：116-117.

[5] 何舒婷.體外預應力技術在連續(xù)梁橋加固中的應用[J].建筑技術，2016，47（12）：1089-1091.

[6] 徐文靖，邵曉東，馬骉，等.采用UHPC連接的預制拼裝橋墩構造及試驗研究[J].土木工程學報，2022，55（12）：105-116+127.

[7] 彭超凡，鄭七振，龍莉波，等.以UHPC材料連接的預制柱抗震性能試驗研究[J].建筑施工，2016，38（12）：1711-1713.

[8] 顧冬生，吳剛，吳智深，等.CFRP加固高軸壓比鋼筋混凝土短圓柱抗震性能試驗研究[J].工程抗震與加固改造，2006（6）：71-77.