UHPC后浇连接的预制墩柱抗震性能研究.pdf

第 卷第期石家庄铁道大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a lo fS h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)S e p U H P C后浇连接的预制墩柱抗震性能研究陈盼鑫,韩俊波,李源浩,郭进,(石家庄铁道大学 土木工程学院,河北 石家庄 ;石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,河北 石家庄 )摘要:随着中国城市化进程的加快,采用标准化的预制装配施工已成为一种趋势.而预制装配桥墩以其节能环保、质量可靠、劳动力要求低等优点在各类桥梁建造中已得到广泛应用.但预制拼装桥墩仍存在着一些问题,如构造措施复杂、施工精度要求高,导致施工效率降低、质量不易保证等.针对这些问题提出一种基于后浇UH P C的预制拼装墩柱的简易连接方式,并设置种不同连接方式的墩柱,对其开展了拟静力试验,描述、对比分析了种墩柱的破坏现象、滞回特性、耗能能力等.试验结果表明,UH P C连接墩柱比其他种连接方式墩柱损伤程度低,峰值承载力比承插式连接墩柱高,比波纹管连接墩柱高,极限位移和累计耗能约为其他个墩柱的 倍.关键词:预制装配桥墩;UH P C后浇连接;拟静力试验;抗震性能中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:责任编辑:车轩玉D O I:/j c n k i s j z t d d x x b z r b 基金项目:国家自然科学基金();河北省省级科技计划(D,Z G);河北省自然科学基金(E )作者简介:陈盼鑫(),男,硕士研究生,研究方向为桥梁抗震.E m a i l:q q c o m陈盼鑫,韩俊波,李源浩,等 UH P C后浇连接的预制墩柱抗震性能研究J石家庄铁道大学学报(自然科学版),():预制拼装技术是建筑工业化的一种重要手段,该技术具有成本低、节能环保、工业化程度高、交通干扰小等优点.但目前预制拼装桥墩也存在着一些问题,如灌浆波纹管连接桥墩对施工精度要求高、灌浆效果难以保证;承插式连接墩柱钢筋布置复杂,影响施工进度.现有预制拼装技术存在的以上问题还有待解决,需要提出更加便捷有效的预制拼装墩柱的连接方式.UH P C具有高强度、高耐久性等特点.UH P C的抗压强度可以在不进行蒸汽养护的条件下达到 MP a,并且随着抗压强度的提升,UH P C与钢筋的粘结强度也随之提升.UH P C中所含的钢纤维也能有效地抑制裂缝的产生与开展,进一步保证了UH P C与钢筋之间的粘结强度.马福栋等为研究钢筋与UH P C的搭接粘结性能,进行了 组钢筋搭接对拉拔出试验,试验结果表明,搭接长度、纤维掺量和配箍率均会对钢筋/UH P C粘结强度产生影响.S A L E EMe ta l通过拉拔试验以及四点弯曲试验研究了UH P C与钢筋之间的粘结性能,得出UH P C与钢筋之间的搭接长度远小于普通混凝土与钢筋之间的搭接长度.XUe t a l提出一种采用扩大头装置的UH P C连接桥墩,此种桥墩具有“等同现浇”的抗震性能.徐文靖等设计了采用UH P C新型连接构造的预制拼装高墩和矮墩,并进行拟静力试验,试验结果表明,高墩和矮墩在后浇UH P C段均无明显损伤,且具有很好的变形能力,表明该连接方式牢固可靠.以上研究表明UH P C在预制拼装墩柱连接上具有一定的应用前景.针对以上现有预制拼装技术存在施工效率低等问题,提出一种新型的UH P C后浇连接方式,用于预制墩柱与承台之间的连接.即UH P C后浇段处的承台与墩柱预留钢筋采用无接触搭接方式,不需钢筋连接器,该连接方式可以降低施工精度要求,提高施工效率.为对比验证此种连接方式的有效性,设计了UH P C后浇连接墩柱、承插式墩柱和波纹管灌浆连接墩柱的缩尺模型,并且进行拟静力试验,详细地描述、对比分析了种墩柱的破坏现象、滞回特性和耗能能力等.石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷 试验概况 试验设计为验证所提的UH P C后浇连接方式的可靠性,设置种预制拼装空心墩柱试件,试件模型缩尺比例为.试件为承插式连接墩柱,试件为波纹管连接墩柱,试件为UH P C后浇连接墩柱.个试件的尺寸均相同,墩身尺寸为 mm mm mm,承台尺寸为 mm mm mm.其中,试件的承插深度为 mm,承台预留 mm mm的槽孔,槽孔边缘设置波形剪力键,试件的尺寸如图(a)所示;试件预制墩身的高度为 mm,找平层为 mm,波纹管预埋在承台内部,预埋深度为 mm,试件的尺寸如图(b)所示;试件预制墩身的高度为 mm,参考进行湿接缝连接时钢筋的搭接长度不能小于 mm,为了进一步保证连接的可靠性,后浇带的连接高度定为 mm,承台上设置长、宽、高 mm mm mm的凸榫,距离空心墩柱底部 mm处设置钢筋网片,试件的尺寸如图(c)所示.(a)试件1立面尺寸(b)试件2立面尺寸(c)试件3立面尺寸高强无收缩水泥灌入1001007505002 0007505002502 000750高强无收缩水泥灌入7505002 0007504003502 000750C50环氧砂浆调平层20 mm厚9002002 0009004001001 700750钢筋网片UHPC后浇带图预制试件尺寸图(单位:mm)1685050500100450500100450300图墩身截面配筋图(单位:mm)个试件所用普通混凝土的强度等级均为C ,墩身的配筋情况相同,纵向钢筋采用直径为 mm的HR B 级钢筋,配筋 率为 ;箍筋 采用直径 为 mm的HR B 级 钢 筋,体 积 配 箍 率 为 ,墩身截面配筋如图所示.试件材料性能试验前对钢筋、混凝土、灌浆料和UH P C进行材性实验.测得HR B 级钢筋的屈服强度平均值为 MP a,极限强度平均值为 MP a,实测力学性能如表所示;测得混凝土的立方体抗压强度平均值为 MP a,承插式灌浆料和波纹管灌浆料的抗压强度平均值分别为、MP a.UH P C采用活性粉煤灰混凝土进行配置,纤维体积分数为,钢纤维类型为 mm平直钢纤维.测得UH P C的抗压强度平均值为 MP a,抗拉强度平均值为 MP a,以上材料实测力学性能如表所示.表直径为 mm的H R B 级钢筋材料参数试样编号fy/MP afu/MP a断后伸长率/第期陈盼鑫等:UH P C后浇连接的预制墩柱抗震性能研究图试验加载装置表普通混凝土、灌浆料、U H P C材料参数MP a材料类型抗压强度(平均值)抗拉强度(平均值)C 混凝土 承插式灌浆料 波纹管灌浆料 UHP C 试验加载装置及加载制度试验在中国地震局工程力学研究所进行,个试件均在恒定轴向荷载与水平低周往复荷载作用下加载至破坏,加载制度依照文献 以及实验室条件确定,试验加载装置如图所示.需要说明的是,在试件进行试验时,采用力位移混+42+36+30+24+18+12+6+6+12+18+24+30+36+42位移试件屈服工况位移控制图加载制度合控制模式,但是在试验过程中发现加载设备的力传感器存在问题,采用力加载控制时,在加载达到每一力等级的峰值时,墩顶仍会产生少量残余位移,这导致在试验中无法确切得到力加载控制下每一荷载等级的墩顶位移,所以试件、试件采用位移控制模式.轴向荷载为 k N;水平荷载采用位移控制的加载模式,在试件屈服前,以mm为每一加载等级之差进行加载;试件屈服后,在屈服位移的基础上每级增加mm控制加载.每级荷载达到最大位移时持载,对破坏现象进行观察与记录.直到试件水平承载能力下降到最大水平承载能力的 以下,结束试验.加载制度如图所示.试验现象及结果分析 试验现象在加载过程中,通过对试验现象进行观察可知,个墩柱均发生弯曲破坏.试件和试件墩身均出现大量X型长斜裂缝,柱脚破坏严重,钢筋暴露并且发生弯曲和断裂现象.由于试件后浇段的UH P C的强度高,且承台与预制墩身的钢筋相互搭接,导致UH P C后浇段的强度和刚度均高于预制墩身截面的强度和刚度,致使墩柱塑性铰上移,最终破坏位置位于后浇段上方的预制普通混凝土墩身,UH P C后浇段没有明显破坏.()试件在试验过程中的现象.当加载至 k N时,墩身出现条水平裂缝,距承台表面 c m;加载至 k N时,试件屈服,裂缝增多,裂缝变宽,出现多条斜裂缝并且向两端延伸,墩身开裂区域上升;加载至 mm时,墩底保护层混凝土开始脱落;加载至 mm时,柱底混凝土压溃,裂缝迅速变宽,水平承载能力下降到最大水平承载力的 以下,试件破坏.试件破坏现象如图所示.(a)出现首条裂缝(b)保护层混凝土开始剥落(c)柱底混凝土压溃、钢筋露出图试件试验现象图 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷()试件在试验过程中的现象.当加载至mm时,在距柱底 c m处出现了首条裂缝;当加载至 mm时,纵向钢筋屈服,原有裂缝宽度增大,开裂区域上升,柱底接缝处出现宽裂缝,柱底有开合趋势;加载至 mm时,墩柱底部的保护层混凝土脱落较为严重;加载至 mm时,柱脚部位有多处保护层混凝土脱落,纵向钢筋及箍筋外露,水平承载能力下降到最大水平承载力的 以下,试件破坏.试件破坏现象如图所示.(a)出现首条裂缝?(b)柱底出现开合趋势?(c)柱底混凝土严重剥落图试件试验现象图()试件在试验过程中的现象.当加载至mm时,在UH P C与普通混凝土的接缝处出现墩身的首条裂缝.该裂缝为弯曲水平裂缝;加载至 mm时,在UH P C与普通混凝土的接缝处出现贯穿四面的环向裂缝,裂缝出现的原因是种材料强度不同,相互粘结的能力不足;加载至 mm时,纵向钢筋屈服,初始裂缝不断延伸,裂缝变宽,与加载方向垂直的墩柱表面的裂缝增多,柱底混凝土保护层有轻微剥落的迹象;加载至 mm时,UH P C后浇段处有轻微声响,UH P C未发生明显破坏现象,但普通混凝土在接缝处有大块脱落;加载至 mm时,柱底处承台普通混凝土与UH P C间存在环向大裂缝;加载至 mm时,水平承载能力下降到最大水平承载力的 以下,试件破坏.试件破坏现象如图所示.(c)接缝处混凝土严重剥落(a)出现环向裂缝(b)接缝处混凝土开始剥落图试件试验现象图 试验结果分析()滞回曲线.各试件荷载位移滞回曲线如图所示.在水平荷载较低阶段,试件处于弹性阶段;随着试件屈服,滞回环逐渐被拉开呈现梭形;而后因为接缝的开合以及钢筋与混凝土发生粘结滑移,滞回曲线出现捏缩现象;加载后期,承载能力下降迅速,残余位移增大.由于试件后浇段的刚度和强度较高,也使得试件较试件和试件而言滞回曲线更加饱满,能量耗散的能力更强.第期陈盼鑫等:UH P C后浇连接的预制墩柱抗震性能研究-60-40-2002040605004003002001000-100-200-300-400-500-600力/kN位移/mm-60-40-2002040605004003002001000-100-200-300-400-500力/kN位移/mm-100-80-60-40-20020406080 100位移/mm6005004003002001000-100-200-300-400-500-600力/kN(c)试件3滞回曲线(a)试件1滞回曲线(b)试件2滞回曲线图各试件荷载位移滞回曲线()骨架曲线.骨架曲线为荷载位移滞回曲线的包络线,可以很好地反映出试件的屈服位移、最大承-90-60-3003060906004002000-200-400-600力/kN试件3试件2试件1位移/mm图骨架曲线图载力等抗震指标.根据各试件的骨架曲线(见图)和表可知,试件正向的水平承载力比试件高约,比试件高约,表明UH P C能够明显提高墩柱的承载能力,试件的屈服位移和极限位移均高于其他试件,且UH P C延缓了试件的强度退化,提高了试件的塑性变形能力.表各试件特征位移和位移延性系数试件屈服位移/mm极限位移/mm峰值荷载/k N位移延性系数?20406080100600 000500 000400 000300 000200 000100 0000