半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱研究與發(fā)展

陳瑋悅， 歐智菁, 林上順， 黃俤俤

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118； 2.福建工大巖土工程研究所有限公司， 福建 福州 350011)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，橋梁施工技術(shù)與施工材料顯著進(jìn)步，橋梁建設(shè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。目前已建成了大量的公路橋梁、跨海大橋、城市橋梁，這些橋梁主要采用鋼筋混凝土(Reinforced concrete，以下簡(jiǎn)稱RC)建造。當(dāng)RC橋墩長(zhǎng)期受到海水、河流雨水沖刷后，會(huì)普遍出現(xiàn)保護(hù)層碳化、鋼筋銹蝕等病害，這些病害后期維護(hù)成本高、修復(fù)加固難度大。因此，亟需提出一種能夠?qū)C墩身進(jìn)行有效防護(hù)的新構(gòu)造，以提高橋墩的耐久性和承載力。

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，以下簡(jiǎn)稱 UHPC)是法國(guó)工程師 Pierre 在 1995 年率先研發(fā)成功的一種新型水泥基復(fù)合材料。UHPC以超高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕和體積穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為橋梁結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展方向，并在國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。UHPC目前在橋梁的上部結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施中應(yīng)用居多，如廣東惠清高速麻鋪停車區(qū)跨線橋、廣東肇慶馬房大橋等。由于UHPC具有優(yōu)越的耐久性和耐腐蝕等性能，將其應(yīng)用于傳統(tǒng)RC橋墩，可以很好地提高橋墩的耐久性和承載力。孫世國(guó)等[1]綜合闡述了UHPC的配置技術(shù)以及UHPC良好的力學(xué)性能、構(gòu)件受力性能和耐久性能。An等[2]表明填充在鋼管柱中的UHPC能夠限制非增強(qiáng)UHPC柱的脆性破壞，并形成具有增強(qiáng)強(qiáng)度和延展性的高性能構(gòu)件。Hung等[3]制備了8個(gè)細(xì)長(zhǎng)的UHPC柱構(gòu)件，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，含有0.75%以上體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維夾雜物能有效抑制細(xì)長(zhǎng)UHPC柱的剝落和破碎，特別是添加1.5%體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維能夠補(bǔ)償70%的約束鋼減少，同時(shí)在偏心荷載作用下仍能增加細(xì)長(zhǎng)柱的延性。

目前，我國(guó)道路和城市橋梁建設(shè)多采用現(xiàn)澆混凝土的傳統(tǒng)施工模式，具有施工周期長(zhǎng)、整體能耗高、對(duì)交通影響大、模板需求大等特點(diǎn)[4]。近年來全裝配式混凝土成為研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外開展了大量的理論研究并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，如東海大橋、杭州灣大橋等。然而，全拼裝橋墩施工中存在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的不可靠性和施工、運(yùn)輸、吊裝設(shè)備的施工的不經(jīng)濟(jì)性等問題，因此可考慮采用半裝配式混凝土橋墩。

半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱是一種新型的組合形式，是先預(yù)制UHPC管，再澆筑核心混凝土的墩柱形式。其主要優(yōu)點(diǎn)是可提高耐久性、加快施工效率、縮小工期、降低全壽命周期造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用，預(yù)期可成為橋梁下部結(jié)構(gòu)施工建設(shè)的重要發(fā)展方向。

1 組合墩柱研究現(xiàn)狀

目前，常見的組合墩柱包括鋼-混凝土組合墩柱、鋼-UHPC組合墩柱以及半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱等。其中，關(guān)于鋼-混凝土組合墩柱的研究比較成熟，工程中也應(yīng)用得較為廣泛；常見的鋼管混凝土墩柱，是在鋼管內(nèi)部填筑素混凝土，所形成的組合墩柱具有承載力高、延性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，可以將鋼材的抗拉性能與混凝土的抗壓性能充分結(jié)合，以獲得良好的力學(xué)性能[5]。鋼管混凝土組合墩柱在理論方面的研究較為成熟，在實(shí)際工程中也得到了成功應(yīng)用，如廣東佛陳大橋采用外包鋼管加固混凝土橋墩、四川干海子特大橋采用鋼管混凝土格構(gòu)式橋墩等。

鋼-UHPC組合墩柱是在鋼材內(nèi)部填筑UHPC，二者相互結(jié)合能較好地解決高強(qiáng)混凝土柱出現(xiàn)脆性破壞的問題，還能進(jìn)一步減小柱的截面尺寸，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。目前，湖南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、福州大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名高校都陸續(xù)對(duì)其開展相關(guān)試驗(yàn)研究。鋼-UHPC組合墩柱的研究基本處于試驗(yàn)和理論階段，韋建剛等[6]對(duì)高強(qiáng)鋼管UHPC短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，分析了鋼管強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度對(duì)軸壓性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于普通鋼管UHPC柱和高強(qiáng)鋼管普通混凝土柱，高強(qiáng)鋼管UHPC柱中局部鼓曲現(xiàn)象和UHPC 的脆性有明顯改善。

關(guān)于半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱的研究屬于起步階段，還在不斷深入研究中。

2 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱概述

半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱是指先在工廠預(yù)制出UHPC外模，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后內(nèi)填素混凝土或RC(見圖1)。相比傳統(tǒng)RC柱，半裝配式UHPC-混凝土組合柱采用強(qiáng)度高、耐腐蝕以及抗裂能力強(qiáng)的UHPC，能明顯提高橋墩的耐久性、抗裂能力等受力性能。UHPC預(yù)制管能替代大量的鋼模板，節(jié)約材料，施工后無(wú)需拆模，施工快速，質(zhì)量可控，適用于城市橋梁、跨海大橋和極端惡劣的環(huán)境等。與此同時(shí)，半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱僅在混凝土墩身的外部采用薄層的UHPC，對(duì)施工影響不大，運(yùn)營(yíng)期間內(nèi)可大幅減少組合柱的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，從而大大降低橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期成本。因此，半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱既能夠?qū)蚨者M(jìn)行有效防護(hù)，又符合國(guó)家倡導(dǎo)的低碳、綠色、環(huán)保理念，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

圖1 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱

3 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱靜力研究

UHPC和混凝土組合形成的UHPC-混凝土組合結(jié)構(gòu)包括無(wú)配筋和配筋兩種形式。半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱與現(xiàn)澆整體式的鋼筋混凝土墩柱(RC)相比，可節(jié)省大量的鋼模板，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量，節(jié)約工期?？偟膩碚f，關(guān)于無(wú)配筋的UHPC預(yù)制管混凝土組合墩柱理論分析和試驗(yàn)研究較為豐富，而有配筋的UHPC預(yù)制管混凝土組合墩柱的有關(guān)理論分析和試驗(yàn)研究較少，當(dāng)前未見應(yīng)用報(bào)道。

3.1 無(wú)配筋的UHPC-混凝土組合墩柱

無(wú)配筋的UHPC-混凝土組合墩柱是在RC墩柱的外部加一層UHPC外筒。UHPC具有良好的耐腐蝕性、耐磨性和抗?jié)B性，多用于如海洋、流速急的山區(qū)河流等惡劣極端環(huán)境條件下[7]，這是因?yàn)閁HPC具有細(xì)致的材料結(jié)構(gòu)與較好的抗沖蝕能力[8-9]。國(guó)內(nèi)外已有將UHPC用于墩柱的研究。傅權(quán)宏[10]提出以圍套的形式將UHPC作為混凝土橋墩與外界侵蝕環(huán)境的隔離層，以解決混凝土橋墩的耐久性問題。單波等[11]對(duì)預(yù)制管混凝土組合柱(CFRT)、箍筋約束混凝土柱、RPC空管進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明CFRT的承載力顯著高于相應(yīng)箍筋約束混凝土柱和RPC空管的承載力之和。舒田宇等[12]對(duì)20個(gè)UHPC加固柱進(jìn)行軸壓性能試驗(yàn)(見圖2)，主要研究UHPC加固方式、被加固柱混凝土強(qiáng)度和截面形狀等因素對(duì)加固效果的影響。Dadvar等[13]研究超高性能纖維混凝土(UHPFRC)護(hù)套加固圓形RC柱的軸向性能，結(jié)果證明，采用新型縱向開槽表面處理的試樣承載能力和能量吸收高于普通砂爆破技術(shù)的試樣。綜上所述，半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱的受力性能和靜力性可能都高于原有設(shè)計(jì)。

圖2 無(wú)配筋UHPC預(yù)制管軸壓試驗(yàn)破壞照片

3.2 配筋的UHPC-混凝土組合墩柱

配筋的UHPC預(yù)制管混凝土組合墩柱是基于鋼管混凝土墩柱提出的一種新型組合墩柱，能夠顯著提高橋墩的耐久性和承載力。陳金盛[14]從理論上研究了UHPC加固層厚度、軸壓比等參數(shù)對(duì)加固橋墩的影響，結(jié)果表明:采用UHPC加固能有效提高加固橋墩的抗彎能力和曲率延性；徐榮耀[15]研究了箍筋約束粗骨料UHPC短柱的軸壓力學(xué)性能，表明水膠比控制在0.143時(shí)，可以獲得較好的新拌混凝土力學(xué)性能；Wu等[16]通過對(duì)5根UHPFRC-RC進(jìn)行軸向荷載性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)UHPFRC管可以在極限荷載條件下發(fā)揮較大作用。朱健[17]對(duì)5根高強(qiáng)混凝土小偏壓柱的破壞試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在采用RPC鋼筋網(wǎng)加固后，小偏心柱的承載能力和變形都得到較大改善；單波等[18]對(duì)RPC管-混凝土組合柱(CFRT)、箍筋約束混凝土柱、RPC空管進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：在加載過程中，外圍RPC管能保持其完整性而不出現(xiàn)明顯剝落，CFRT柱的承載力略高于相應(yīng)箍筋約束混凝土柱和RPC空管的承載力之和，RPC管中配箍率越高，組合柱的抗壓性能越好。配筋UHPC預(yù)制管軸壓試驗(yàn)破壞照片如圖3所示。

圖3 配筋UHPC預(yù)制管軸壓試驗(yàn)破壞照片

4 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱抗震研究

歷次震害表明，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌破壞的薄弱部位大部分集中于鋼筋混凝土橋墩，因此預(yù)制半裝配式橋墩在中高烈度區(qū)的應(yīng)用受到限制。對(duì)預(yù)制半裝配式橋墩在地震作用下的極限承載力、變形和耗能能力等研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)。

王震[19]提出利用UHPC制作自復(fù)位預(yù)制拼裝UHPC空心墩。一方面，UHPC優(yōu)良的力學(xué)性能可以降低震中橋墩損傷；另一方面，采用UHPC制作預(yù)制拼裝橋墩，可以實(shí)現(xiàn)震后快速更換損傷零件。Tazarv等[20]采用UHPC作為灌漿材料進(jìn)行預(yù)制拼裝墩與承臺(tái)間的波紋管灌漿連接。通過擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用波紋管UHPC灌漿連接的橋墩與現(xiàn)澆橋墩具有相似的抗震性能，試驗(yàn)中未發(fā)生鋼筋與UHPC的粘結(jié)失效現(xiàn)象。

國(guó)外學(xué)者Yamanobe等[21]提出一種新型設(shè)計(jì)，即采用超高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)混凝土(UFC)模板。對(duì)其展開雙向擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UFC預(yù)制模板可以使該預(yù)制橋墩耗能能力和變形能力得到提升。單波等[22]研究了CFRT柱和箍筋約束混凝土柱的抗震性能，結(jié)果表明，CFRT柱的抗震性能明顯優(yōu)于箍筋約束混凝土柱， CFRT柱的初始剛度和延性等得到了提高，且增加RPC管配筋率，可以提高CFRT柱的抗震性能。

5 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱試設(shè)計(jì)

陳揚(yáng)弘[23]以平潭海峽大橋的橋墩為背景，開展UHPC-RC組合橋墩的試設(shè)計(jì)，提出以UHPC作為永久模板，代替原平潭海峽大橋橋墩施工所采用的鋼模板，集中預(yù)制UHPC模板柱，模板柱運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝后，將綁扎好的鋼籠放入模板柱內(nèi)，再澆筑普通混凝土。

按照與平潭海峽大橋原設(shè)計(jì)橋墩材料用量相同的原則，設(shè)置UHPC模柱的設(shè)計(jì)壁厚為10 cm，模柱內(nèi)RC柱直徑為280 cm(見圖4)。內(nèi)核RC柱每根配置72根直徑為28 mm主筋，混凝土保護(hù)層厚度為5 cm。UHPC模柱預(yù)制長(zhǎng)度初步選定為3 m，采用上、下槽接縫結(jié)構(gòu)，既有利于施工、安裝、定位，又能起到防止海水直接滲入接縫的作用。接縫用環(huán)氧樹脂粘接。

圖4 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱試設(shè)計(jì)尺寸(單位： cm)

4 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱抗震研究

對(duì)UHPC-RC組合橋墩進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，在加載初期，UHPC模柱表面未出現(xiàn)裂縫以及剝落現(xiàn)象，但隨著荷載的增加，UHPC模柱表面開始出現(xiàn)細(xì)小豎向裂縫并且逐漸擴(kuò)展，伴隨部分鋼纖維被拔出，部分模柱表現(xiàn)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，最終出現(xiàn)核心混凝土與UHPC模柱分離現(xiàn)象。研究表明：UHPC-RC組合橋墩的破壞模式為核心混凝土的橫向變形，導(dǎo)致UHPC模柱的豎向裂縫，并出現(xiàn)核心混凝土與外包UHPC模柱的分離現(xiàn)象。但UHPC-RC組合橋墩破壞時(shí)，外包UHPC縱向應(yīng)變未達(dá)到極限壓應(yīng)變。

6 結(jié)論

1) 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱主要優(yōu)點(diǎn)是提高耐久性、加快施工效率、縮短工期、降低全壽命周期造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用。適用于跨海大橋、深水陡坡橋梁等特殊工程。

2) 半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱靜力性能研究表明，該組合不僅提高了組合墩柱的承載能力，還延緩了鋼筋的屈服，提高了半裝配式UHPC-混凝土組合墩柱的耐久性。該新型組合墩柱抗震性能研究表明，UHPC預(yù)制管可以有效提高墩柱的水平承載力和位移延性，其橫向強(qiáng)度和殘余位移均高于RC橋墩，混凝土損傷較小，這對(duì)提高橋墩的抗震性能，減少橋墩的損傷是有效的。

3)以平潭海峽大橋?yàn)楣こ瘫尘暗腢HPC-RC組合墩試設(shè)計(jì)研究表明，采用UHPC-RC組合橋墩能明顯提高施工效率，提高橋墩耐久性，降低橋梁造價(jià)，并在一定程度上提高橋墩承載能力，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。