基于耐久性的超高性能纖維改性混凝土疊合墩柱設計概念

吳香國

(哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

1 基于耐久性的疊合結(jié)構(gòu)設計概念

基于耐久性的新型結(jié)構(gòu)設計概念，實際上是基于結(jié)構(gòu)耐久性越來越引起國內(nèi)外政府和科學界的廣泛關(guān)注的大背景.據(jù)美國土木工程學會報告，美國現(xiàn)有29%以上橋梁和1/3以上的道路老化，有2 100座水壩不安全，估計需1.3萬億美元改善其安全狀態(tài).美國每年基礎設施修復費用約為這些設施總資產(chǎn)的10%.發(fā)達國家土建設施耐久性問題造成的年損失，約占GDP的1.5% ～2.0%，其中主要是混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞.我國目前和今后一個時期仍將是基礎設施建設的高峰期，美國等西方發(fā)達國家若干年前建設的工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀很有可能就是我國若干年后必須面臨的嚴峻問題，有必要盡早開展基于耐久性的結(jié)構(gòu)設計.

超高性能纖維改性混凝土(UHPFRC)是由鋼纖維和高強水泥基體以及礦物摻合劑經(jīng)特殊工藝拌和與養(yǎng)護工藝制成，同普通混凝土(OPC)和普通纖維混凝土(FRC)相比較，由于UHPFRC基材密實，其抗壓強度可以達到80～100 MPa、抗拉強度可以達到6～10 MPa、彈性模量為40～50 GPa，材料的抗裂、抗?jié)B、耗能能力大，抗侵蝕能力也得到較大提高，具有較高的耐久性能［1］.將 UHPFRC永久模板結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成UHPFRC疊合結(jié)構(gòu)，UHPFRC作為結(jié)構(gòu)的外防護層，不僅能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能，而且能夠提高結(jié)構(gòu)整體的抗凍融、抗劣化能力.因此UHPFRC疊合結(jié)構(gòu)是基于UHPFRC高耐久性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體耐久性設計的有效途徑.筆者提出的UHPFRC永久模板墩柱結(jié)構(gòu)［2］主要是面向梁橋重力式橋墩結(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)設計概念.

目前的梁橋重力式橋墩主要是實體式橋墩，在城市高架、城際高鐵等中、小跨度橋梁工程中具有廣泛的應用，采用的主要結(jié)構(gòu)形式是普通混凝土重力式橋墩，主要施工工藝是采用組合式鋼制模板，尚沒有開展真正意義上的耐久性設計.在組合式模板施工工藝下，形成的傳統(tǒng)的重力式橋墩結(jié)構(gòu)導致混凝土表面自然裸露，由于普通混凝土耐久性低而導致整個墩柱結(jié)構(gòu)耐久性沒有保證，特別是在鐵路橋墩建設中這個問題尤為突出.為了提高橋墩結(jié)構(gòu)的服役壽命，國內(nèi)已經(jīng)提出了鐵路橋墩防護板的設計概念及其要點，對既有橋墩進行防護，以期提高既有橋墩結(jié)構(gòu)的耐久性，減少結(jié)構(gòu)的后期維護成本，最終延長結(jié)構(gòu)的使用壽命［3］.但是新建項目仍然在延續(xù)傳統(tǒng)的組合鋼制模板施工方案.組合式模板施工、拆卸后的橋墩結(jié)構(gòu)本身受到氣候和環(huán)境因素影響，極端氣候條件下容易引起表面未服役條件下的初始微裂紋，影響結(jié)構(gòu)的服役壽命.

除此之外，傳統(tǒng)的橋墩鋼制組合模板方案尚存在以下問題:安裝和拆卸2個工序耗工時，且2個工序中均存在高空作業(yè)，明顯影響施工工期.組合式鋼制模板施工方案對鋼制模板用量大，存在往返二次運輸?shù)膯栴}，對于遠距離高速鐵路橋梁建設，運價相對高.

UHPFRC疊合墩柱結(jié)構(gòu)的概念是將UHPFRC預制成節(jié)段制品，作為墩柱結(jié)構(gòu)的永久模板，并作為成型結(jié)構(gòu)的外保護層，利用HPFRC的較高抗裂、抗?jié)B等耐久性能，實現(xiàn)墩柱結(jié)構(gòu)的耐久性設計.結(jié)構(gòu)的耐久性是通過保證結(jié)構(gòu)外保護層的高耐久性為基礎的，UHPFRC永久模板屬于多功能永久模板，具體含義為，在施工階段UHPFRC作為橋墩的模板，在橋墩成型后兼做橋墩的防護板，UHPFRC永久模板不僅作為鋼筋的外保護層，同時依據(jù)結(jié)構(gòu)設計理論，它將成為結(jié)構(gòu)的一部分承載.

2 UHPFRC材料性能

UHPFRC是由水泥、硅灰、細砂、短細高彈性模量鋼纖維、水、高效減水劑，經(jīng)特殊攪拌工藝和養(yǎng)護工藝而制成.典型的水灰比為0.15～0.20，對應的硅灰含量為20%～30%，對水泥和硅灰的物理和化學性能要求見表 1［4］.

表1 對水泥和硅灰外摻劑的物理和化學性能要求

基于疊合墩柱結(jié)構(gòu)的UHPFRC，在細骨料的選取方面，突破傳統(tǒng)的UHPCC對石英砂的嚴格限制，材料粒徑為0.5 mm以下的國產(chǎn)河砂，密度為2.62 g/cm3，SiO2含量為93%.采用的聚羧酸系減水劑密度為1.01 g/cm3，固含量為30%.采用粒徑為100 μm的某填充劑，該填充劑的物理和化學性能見表2.

表2 填充劑的物理和化學性能

采用鋼纖維的體積分數(shù)為2%，該鋼纖維的密度為 7.5 g/cm2，長度為 15 mm，直徑為 0.2 ～0.5 mm，抗拉強度為1 200 ～1 800 MPa.材料的基本配合比見表3.

表3 UHPFRC的配合比(質(zhì)量)

UHPFRC的攪拌工藝如圖1所示.與普通混凝土(NCC)、普通纖維混凝土(FRC)和高強混凝土(HSC)相比，UHPFRC具有較高的強度，雖然UHPFRC延性不及ECC，但是UHPFRC已經(jīng)是多裂縫失效模式，并且具有較高的耐久性能［5－7］，具體的材料性能指標與UHPFRC材料分級及其相對應的配合比設計有關(guān).這里列出UHPFRC與NCC和FRC的基本力學性能對比，見表4.

圖1 UHPFRC攪拌工藝流程

表4 3種混凝土的主要力學性能對比

UHPFRC的抗氯離子侵蝕能力遠高于NCC和FRC，經(jīng)600周凍融循環(huán)試驗，UHPFRC的動彈性模量幾乎沒有損失，見表5，其中UHPFRC的下限值為超高性能水泥基復合材料(UHPCC)的耐久性指標.

表5 3種混凝土的主要耐久性能對比

3 UHPFRC疊合墩柱結(jié)構(gòu)方案

3.1 材料選取

該多功能永久模板采用上述材料性能范圍內(nèi)，經(jīng)過力學分析，基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范，要求UHPFRC具有非線性破壞行為，設計抗壓強度為80～120 MPa.在軸拉作用下，材料具有多裂縫失效特征，其設計抗拉強度可為8～12 MPa.材料的設計初裂應變?yōu)?.000 10 ～ 0.000 14，極 限 拉 應 變 為 0.002 0 ～0.003 5.材料同時應具有較好的抗沖擊性能，在1.5 m高度的25 kg落錘自由落體沖擊15～18次后，相應的抗沖擊試件才允許出現(xiàn)肉眼可見的宏觀裂紋.該材料應具有較高的耐久性能，以期達到橋墩外防護板的設計要求.首先，進行6個月的碳化實驗，材料的碳化深度應近似為0 mm.其次，根據(jù)ASTM C 1202規(guī)范，進行材料的抗氯離子侵蝕實驗，通電量應不大于2 C.第三，材料經(jīng)歷凍融循環(huán)400次后，其彈性模量損失應不大于5%.第四，材料的孔隙率為0.051 ～0.052 mL/g.根據(jù)以上要求，優(yōu)化UHPFRC配合比設計.

3.2 結(jié)構(gòu)形式

基于耐久性的疊合橋墩結(jié)構(gòu)UHPFRC永久模板結(jié)構(gòu)形式，包括圓端弧段板、直段板，矩形、圓形節(jié)段，具體實施依據(jù)選擇基于橋墩的截面形式.UHPFRC永久模板由相應段板經(jīng)預埋聯(lián)接件的焊接而形成，以圓端形為例，UHPFRC永久模板組成如圖2所示，包括段板單元基材1－1、水平段間界面聯(lián)接預埋件1－2、上下段間界面聯(lián)接預埋件1－3、內(nèi)外界面抗剪聯(lián)接件1－4.

圖2 多功能永久模板水平節(jié)段組成

水平段間界面聯(lián)接構(gòu)造如圖3所示，包括水平段間界面聯(lián)接預埋件1－2、水平段間楔形界面1－5.其它標注為節(jié)段內(nèi)表面1－6、上下節(jié)段聯(lián)接支撐面1－7、上下節(jié)段間楔形界面1－8.

段間界面聯(lián)接預埋件1－2如圖4所示，包括水平界面1－2－1、楔形界面1－2－2(焊接界面，與軸線具體夾角根據(jù)焊接施工空間需要和結(jié)構(gòu)受力計算而確定)、聯(lián)接桿件1－2－3、端部拉結(jié)桿1－2－4，界面1－2－1位于上下節(jié)段聯(lián)接支撐面1－7內(nèi).

上下段間界面聯(lián)接構(gòu)造如圖5所示，包括預埋件1－3、上下節(jié)段聯(lián)接支撐面1－7、上下節(jié)段間楔形界面1－8.預埋件1－3構(gòu)造與1－2相同.內(nèi)外界面聯(lián)接構(gòu)造如圖6所示，包括抗剪聯(lián)接件1－4.

矩形和圓形斷面的UHPFRC永久模板組成與上述圓端形UHPFRC永久模板組成類似，不再贅述.該UHPFRC永久模板方案的主要優(yōu)點表現(xiàn)在，其施工工藝只存在模板安裝，不存在模板拆卸，屬于免拆永久模板，這將顯著加快施工速度，縮小工程工期.對于遠距離的橋梁工程建設中的模板運輸而言，只存在單程運輸成本，因此可以大大簡化模板工程和施工成本.該永久模板采用UHPFRC為基材，材料特性決定了多功能永久模板的結(jié)構(gòu)性能在抗侵蝕能力、抗凍融循環(huán)能力等方面相對于傳統(tǒng)的橋墩結(jié)構(gòu)得到極大提高，這將降低或減少工程結(jié)構(gòu)的后期維護成本，有效延長結(jié)構(gòu)的服役壽命.

3.3 UHPFRC疊合墩柱的底層節(jié)段聯(lián)結(jié)方案

UHPFRC永久模板底層節(jié)段與墩臺的聯(lián)結(jié)是結(jié)構(gòu)安全性設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在結(jié)構(gòu)受力分析的基礎上，提出2種構(gòu)造方案:

1)在橋墩基礎承臺上，承臺內(nèi)豎向受力筋應按照預制多功能永久模板的第一層節(jié)段中預埋件的位置預留出鋼筋，用于與底層模板焊接聯(lián)接.具體焊縫長度與厚度根據(jù)橋墩設計規(guī)范中的荷載環(huán)境進行受力計算.

2)在橋墩基礎承臺上，按照橋墩基底截面進行放線，根據(jù)預制多功能永久模板的第一層節(jié)段中預埋件的位置，確定橋墩基礎承臺聯(lián)接點位置，植入膨脹螺栓，具體植入螺栓深度和直徑以及焊縫長度與厚度根據(jù)橋墩設計規(guī)范中的荷載環(huán)境進行受力計算.在膨脹螺栓擰緊后，將端部與相對應的節(jié)段底層預埋件焊接固定.

4 結(jié)語

UHPFRC疊合墩柱結(jié)構(gòu)的設計，初步可以依據(jù)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范進行設計，僅視UHPFRC永久模板為結(jié)構(gòu)的保護層，這屬于偏安全保守設計.但是，實際上由于UHPFRC的超高力學性能［8］，UHPFRC永久模板不僅作為鋼筋的外保護層，同時依據(jù)結(jié)構(gòu)設計理論，它將成為結(jié)構(gòu)的一部分來承載，對結(jié)構(gòu)的全過程非線性發(fā)展、極限承載力、變形和裂縫演化、結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能有著顯著的影響，傳統(tǒng)的墩柱結(jié)構(gòu)承載力設計理論、正常使用極限狀態(tài)設計理論以及抗震設計方法有待修正，擬開展的UHPFRC－混凝土疊合墩柱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵研究內(nèi)容包括:

1)UHPFRC－混凝土疊合墩柱結(jié)構(gòu)的軸壓破壞機理和承載力極限狀態(tài)設計方法.

2)軸壓作用下的UHPFRC－混凝土疊合墩柱結(jié)構(gòu)的變形和裂縫控制方法.

3)UHPFRC－混凝土疊合墩柱結(jié)構(gòu)的滯回性能及其抗震設計方法.

4)UHPFR－混凝土界面非線性破壞機理.

目前，基于黑龍江省自然科學基金項目的資助，開展了UHPFRC管在施工荷載下的力學性能分析［9］，為施工荷載下的UHPFRC永久模板設計提供了理論依據(jù)，完成了軸壓和偏壓荷載作用下的UHPFRC疊合墩柱結(jié)構(gòu)的極限承載力分析，完成了小尺寸UHPFRC管混凝土軸壓短柱的系列結(jié)構(gòu)試驗，驗證了基于UHPFRC管混凝土的非線性有限元模型及其參量，并開展了軸壓和偏壓作用下的大尺寸UHPFRC管混凝土疊合墩柱結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析，為開展大比例結(jié)構(gòu)縮尺試驗奠定了基礎.今后的主要工作是，在完成大比例結(jié)構(gòu)性能縮尺靜載和擬靜力試驗的基礎上，研究UHPFRC－混凝土疊合墩柱結(jié)構(gòu)的軸壓比影響，建立極限承載力設計方法和抗震設計方法，研究在滯回荷載作用下的UHPFRC與混凝土界面破壞機理，建立結(jié)構(gòu)的變形和裂縫控制方法，為該類新型結(jié)構(gòu)的設計提供科學依據(jù).

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