林新鵬，卓衛(wèi)東，谷音，孫穎，陳力波

(福州大學土木工程學院，福建福州350108)

0 引言

對建于強震區(qū)的橋梁而言，橋墩是結構抗側力體系中的關鍵構件.為保證橋墩的延性，通常需要在其塑性鉸區(qū)配置大量的箍筋［1］.但密集的箍筋配置會影響混凝土的施工質量，且降低施工效率.為了解決橋墩塑性鉸區(qū)配箍密集的問題，國內外學者研究在混凝土中摻入纖維來提高材料自身的延性，從而提高橋墩和整體結構的抗震性能.Lan等［2］通過擬靜力試驗，發(fā)現(xiàn)碳纖維增強混凝土(carbon fiber reinforced concrete，CFRC)橋墩、聚丙烯纖維混凝土橋墩和混合纖維混凝土橋墩均比鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)橋墩有更好的耗能能力.Zhang等［3］通過水平反復荷載試驗和有限元模擬分析，結果表明鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced concrete，SFRC)矩形空心墩的各項抗震性能指標均優(yōu)于RC矩形空心墩，且鋼纖維可以代替部分箍筋的作用.Chen等［4］通過水平反復荷載試驗，發(fā)現(xiàn)SFRC墩柱與RC墩柱相比，具有較大的耗能能力，且屈服后剛度退化較小，破壞時裂縫較細和較密.李秉南等［5］通過擬靜力試驗，發(fā)現(xiàn)CFRC實體墩可有效減小配置高強鋼筋橋墩試件的初期裂縫寬度，顯著提高試件的變形能力和累積耗能能力.近年來，由于纖維混凝土的優(yōu)越性能，其也被應用于橋墩抗震加固方面.吳剛等［6］通過低周反復荷載下的對比試驗，證實了連續(xù)玄武巖無捻粗紗絲束纏繞加固方形和圓形RC墩柱方法較碳纖維布材包裹的抗震性能好.魏洋等［7］也通過對比試驗，證實了連續(xù)玄武巖纖維絲束及鋼絲繩纏繞加固方法對提高RC墩柱抗震性能的有效性，且認為這兩種加固方法較碳纖維布材加固方法具有更好的性價比.鄒友林［8］采用芳綸纖維薄板加固受損的鋼筋混凝土圓柱，發(fā)現(xiàn)這種加固方法不僅可有效防止裂縫的出現(xiàn)和開展，還可改善墩柱的延性.Dagenais等［9］針對早期RC矩形橋墩存在的縱筋搭接錨固不足的缺陷，提出采用自密實超高性能纖維混凝土替換縱筋搭接區(qū)域的普通混凝土的加固技術，并通過單向擬靜力試驗，證實了這種加固技術可消除早期RC墩柱的粘結失效模式.

目前，應用于橋墩的纖維混凝土主要為碳纖維增強混凝土、聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土等.聚丙烯腈纖維作為一種有機合成纖維，具有自重輕、耐候性和耐腐蝕性好等優(yōu)點.近年的研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻加少量的聚丙烯腈纖維，不僅對其抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度有一定提高，而且對混凝土抗裂性、抗沖擊性、抗折性、抗凍性以及耐久性等均有明顯提高［10－14］.國內外對聚丙烯腈纖維混凝土的研究，目前還主要集中在其基本物理和力學性能方面.本研究通過擬靜力試驗，研究摻入單一纖維以及摻入長、短混雜纖維的聚丙烯腈纖維混凝土(polyacrylonitrile fiber reinforced concrete，PANFRC)墩柱的抗震性能，并與普通RC墩柱的抗震性能進行對比.試驗結果可為PANFRC墩柱的工程應用提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計

擬靜力試驗考慮的主要影響因素為纖維摻入方式及軸壓比.采用全面試驗法，將墩柱試件分為普通鋼筋混凝土墩柱(RC)、摻入單一長度的聚丙烯腈纖維混凝土墩柱(PANFRC)和摻入長、短混雜的聚丙烯腈纖維混凝土墩柱(polyacrylonitrile hybrid fiber reinforced concrete，PANHFRC)3組:其中，RC組為作為對照的普通RC墩柱試件，PANFRC組為摻入12 mm長且體積摻量為0.15%的聚丙烯腈纖維混凝土墩柱試件，PANHFRC組為摻入6 mm和12 mm長的聚丙烯腈纖維的混凝土墩柱(其中，短纖維體積摻量為0.10%，長纖維體積摻量為 0.13%); 軸壓比分別取為 0.2、0.3 和 0.4.

考慮試驗條件及經(jīng)費等因素，各組墩柱試件的截面尺寸均取為200 mm×200 mm.參考國內公路橋梁典型柱式橋墩進行試件設計，混凝土強度等級取為C30，縱筋采用直徑12 mm的HRB335級鋼筋，箍筋采用直徑6 mm的HPB235級鋼筋.試件幾何尺寸及配筋情況見圖1，各組試件設計參數(shù)見表1.在試件澆筑養(yǎng)護30 d后，測試了試件所用混凝土和鋼筋的基本物理力學性能(見表2)，并同時開展水平單向加載的擬靜力試驗.

圖1 試件幾何尺寸及配筋情況(單位:mm)Fig.1 Dimension and reinforcement detail of the specimen(unit:mm)

表1 試件設計參數(shù)Tab.1 Design parameters of each specimen

表2 混凝土和鋼筋的基本材性指標Tab.2 Basic material parameters of the concrete and the steel (MPa)

1.2 試驗加載與量測

試驗在福建省土木工程多災害防治重點實驗室(福州大學)進行，豎向恒定荷載由100 t液壓千斤頂施加，其大小根據(jù)表1所列的軸壓比計算確定;在千斤頂上方設置低摩擦水平滾軸，以允許墩頂發(fā)生自由水平位移和轉動;水平單向荷載由MTS作動器施加.根據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程(JGJ/T 101—2015)》［15］，試驗采用變幅變位移加載制度，每級位移幅值循環(huán)3次，前兩個幅值增量為2 mm，到位移幅值為4 mm時，每級位移幅值增量為4 mm，直至荷載下降到峰值的85%后停止加載.通過MTS作動器，同時量測水平位移及施加的荷載大小.

2 試驗結果與分析

2.1 墩柱試件破壞過程及形態(tài)

試驗觀察發(fā)現(xiàn)，在水平單向反復荷載作用下，各組墩柱試件的破壞過程基本相同.首先，在垂直于加載方向的試件底部的兩個側面上出現(xiàn)細微的橫向裂縫;隨著位移幅值的增大，靠近墩底的保護層混凝土因反復壓應力作用出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，同時出現(xiàn)更多的橫向水平裂縫，且裂縫寬度不斷增大，并最終在試件底部附近的兩側表面上各自形成一條較寬的主裂縫;當水平橫向荷載達到峰值時，主裂縫迅速開展并不斷加寬，RC組試件四角及墩底部分混凝土開始出現(xiàn)大量壓潰和剝落現(xiàn)象，但由于試件縱向鋼筋受到良好約束，沒有出現(xiàn)縱筋受壓屈曲和外鼓現(xiàn)象.此外，在反復加載過程中，隨著位移幅值的增大，在試件底部附近與橫向荷載作用方向平行的兩側表面上出現(xiàn)斜裂縫，并與向核心混凝土發(fā)展的主裂縫匯合.圖2為試驗過程中觀測到的墩柱試件的典型破壞形態(tài).

試驗現(xiàn)象觀察到各組墩柱試件均出現(xiàn)了延性彎曲破壞，表明在常規(guī)軸壓比范圍內，軸壓比不會影響各組試件的破壞模式.與RC組試件相比，PANFRC組和PANHFRC組試件在相同位移幅值下出現(xiàn)的裂縫更細，且在極限狀態(tài)下也沒有出現(xiàn)保護層混凝土剝落現(xiàn)象，這表明摻入單一長度或長短混雜的聚丙烯腈纖維，均可顯著提高混凝土墩柱的抗裂性能，并改善其破壞形態(tài).此外，對試驗破壞形態(tài)的觀察表明，對于約束良好的墩柱，即使保護層混凝土出現(xiàn)大量的壓潰和剝落，縱向鋼筋也不會發(fā)生受壓屈曲現(xiàn)象.

圖2 墩柱試件典型破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure modes of the specimens

2.2 滯回曲線與骨架曲線

利用MTS作動器采集的橫向力和橫向位移數(shù)據(jù)，得到了各組墩柱試件的滯回曲線，如圖3所示.

圖3 試件實測滯回曲線Fig.3 Hysteretic curves of the specimens

從圖3可見，對同一組試件，軸壓比越大，滯回曲線越飽滿，說明增大軸壓比可提高試件的滯回耗能.分析其原因，主要是因為增大軸壓比可提高試件的剪切承載力，因此，在相同位移幅值下，也相應提高了試件的橫向抗力，從而使滯回曲線更加飽滿.此外，在相同軸壓比下，相比RC組試件，摻入聚丙烯腈纖維的PANFRC組和PANHFRC組試件的滯回曲線更加飽滿.這表明摻入適量的聚丙烯腈纖維可改善混凝土墩柱試件的累積滯回耗能能力，尤其是摻入適量的長、短混雜的聚丙烯腈纖維.分析其原因，主要是由于聚丙烯腈纖維對混凝土有增強和增韌的作用，而且長、短纖維混雜時，其作用效應越好，從而相應地提高了墩柱試件的橫向抗力和變形能力，使滯回曲線更加飽滿.另一方面，聚丙烯腈纖維與混凝土基體界面脫粘、纖維拉拔和纖維斷裂等耗能機制，也增強了墩柱試件的累積滯回耗能能力.

圖4繪出了各組墩柱試件的骨架曲線.從圖4可見，在軸壓比為0.2時，各組試件的下降段曲線均較為平緩，其中，尤以PANHFRC組C1試件的下降段曲線最為平緩，而且極限位移幅值也最大;隨著軸壓比的增大，各組試件的下降段曲線相對變陡，且極限位移幅值也明顯減小，表明無論是RC墩柱試件還是PANFRC或PANHFRC墩柱試件，其極限位移均隨軸壓比的增大而減小.此外，相比RC組試件，PANFRC組和PANHFRC組試件的橫向抗力也均有一定的提高.

圖4 各試件骨架曲線Fig.4 Skeleton curves of the specimens

2.3 位移延性系數(shù)與極限承載力

表3列出了各組墩柱試件實測的屈服位移、極限位移和水平極限承載力.根據(jù)位移延性系數(shù)的定義［1］及實測數(shù)據(jù)，計算得到表3中的位移延性系數(shù).采用XTRACT軟件計算各試件墩底截面的P－M－曲線，得到各試件墩底截面的最大抗彎承載力的理論值，從而得到其水平極限承載力的理論值;同時，根據(jù)Priestley等［16］提出的考慮軸壓作用的墩柱塑性鉸區(qū)的抗剪承載力公式，計算得到各試件抗剪承載力的理論值.從表3可見，各組墩柱試件水平極限承載力的試驗值與理論值均相差不大，且均遠小于其塑性鉸區(qū)抗剪承載力的理論值，這表明各組墩柱試件均只發(fā)生彎曲破壞，而不會發(fā)生剪切破壞，這與試驗觀察到的破壞現(xiàn)象相符.

表3 各試件位移延性系數(shù)與水平極限承載力Tab.3 Displacement ductility factor and shear strength of each specimen

在軸壓比為0.2時，相比 RC組試件(RC－A1)，PANFRC試件(PANFRC－B1)和 PANHFRC試件(PANHFRC－C1)的位移延性系數(shù)分別增大了5.4%和11.1%，水平極限承載力分別提高了2.8%和7.6%;在軸壓比為0.4時，相比RC組試件(RC－A3)，PANFRC試件(PANFRC－B3)和PANHFRC試件(PANHFRC－C3)的位移延性系數(shù)分別增大了10.0%和18.5%，水平極限承載力分別提高了2.4%和13.2%.這表明摻入適量的聚丙烯腈纖維能同時提高墩柱試件的位移延性和水平極限承載力，而且軸壓比越大，提高幅度越明顯;此外，相比單一纖維，摻入長、短混雜聚丙烯腈纖維的效果更佳.

由表3還可知，各組試件的位移延性系數(shù)均隨軸壓比的增大而減小，而水平極限承載力則均隨軸壓比的增大而增大，這與普通混凝土橋墩的試驗規(guī)律相同.

2.4 剛度退化規(guī)律

根據(jù)荷載－位移曲線計算每一級位移幅值下各組墩柱試件的割線剛度，從而繪制出各試件的剛度退化曲線，如圖5所示.從圖5可見，PANFRC組和PANHFRC組試件與RC組試件的剛度退化規(guī)律基本相同，表明摻入聚丙烯腈纖維對墩柱試件的剛度退化基本沒有改善.

圖5 各組試件剛度退化曲線Fig.5 Stiffness degradation curves of the specimens

2.5 耗能能力

為比較各組墩柱試件的滯回耗能能力，對各試件取相同的位移幅值(本研究取為16 mm)進行計算.表4列出了各試件在位移幅值為16 mm時的耗能能力，所取循環(huán)均為第一級.

表4 各試件滯回耗能Tab.4 Energy dissipation of each specimen

從表4可知，在軸壓比為0.2時，相比RC組試件(RC－A1)，PANFRC試件(PANFRC－B1)和PANHFRC試件(PANHFRC－C1)的滯回耗能能力分別提高了24.6%和38.5%;在軸壓比為0.4時，PANFRC試件(PANFRC－B3)和PANHFRC試件(PANHFRC－C3)的滯回耗能能力分別提高了3.7%和6.1%.試驗結果表明，摻入適量的聚丙烯腈纖維可明顯提高混凝土墩柱的滯回耗能能力，而且相比單一纖維，摻入長、短混雜聚丙烯腈纖維的效果更佳;此外，軸壓比越小，摻入適量的長、短混雜聚丙烯腈纖維對混凝土墩柱滯回耗能能力的提高幅度越大.

3 結語

1)摻入適量的聚丙烯腈纖維，可使混凝土墩柱試件在極限狀態(tài)下不出現(xiàn)保護層混凝土剝落.

2)摻入適量的聚丙烯腈纖維，可同時提高混凝土墩柱試件的位移延性、水平極限承載力和滯回耗能能力;且軸壓比越大，位移延性和水平極限承載力的提高幅度越大，然而，滯回耗能能力的提高幅度卻相對減小.

3)摻入聚丙烯腈纖維，基本沒有改善混凝土墩柱試件的剛度退化.

4)相比單一纖維，摻入長、短混雜聚丙烯腈纖維可更好地提高混凝土墩柱試件的抗震性能.

5)本試驗僅為初步驗證性試驗，有必要繼續(xù)深入研究聚丙烯腈纖維混凝土墩柱的抗震性能及其設計計算.