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
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