1、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、
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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 0007
8、505002502 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
9、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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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-60-40-20020
16、40605004003002001000-100-200-300-400-500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
