基于混合试验的桥墩FRP抗震加固破坏机理研究

张玮，田石柱

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011）

基于混合试验的桥墩FRP抗震加固破坏机理研究

张玮，田石柱

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011）

FRP抗震加固可以提高构件的延性，但同时也可能会改变构件的薄弱部位，乃至改变构件的破坏机理，甚至影响到整个结构。针对此问题，以钢筋混凝土连续梁桥为模型，假定其中一个桥墩因为施工间断等原因造成桥墩底部钢筋部分搭接，需要进行FRP抗震加固，通过抗震混合试验方法，研究此加固桥墩在地震荷载作用下的破坏情况。结果表明：FRP抗震加固对于构件的延性有着很大的提高，但同时也可能会改变构件的破坏机理。

钢筋混凝土桥墩；FRP抗震加固；混合试验；OpenSees

对于存在破坏的桥梁，为了提高其抗震性能，增加桥墩延性，进行FRP抗震加固是一种非常有效的方法。国内外学者对桥墩FRP（纤维增强复合材料）抗震加固进行了大量的研究。蔡新江等[1-2]对FRP加固桥梁RC短柱的抗震性能进行了拟静力、拟动力试验研究。结果表明，利用FRP进行加固，将RC短柱的脆性剪切破坏模式转化为延性弯曲破坏，在基本不改变结构动力特性的条件下增强了结构延性，有效地提高了桥墩的抗震性能。Haroun等[3]对FRP加固塑性铰区纵筋搭接长度不足的圆形截面柱及方形截面柱进行了抗震性能研究。结果表明，FRP的约束作用能显著改善塑性铰区纵筋搭接长度不足的圆形截面柱的侧向变形能力，提高延性。Saadatma-nesh H等[4]的研究表明，潜在塑性铰区有纵筋搭接的桥墩，其破坏模式趋向于延性较低的脆性破坏，耗能能力较差，通过对塑性铰区进行FRP加固能够提高桥墩的延性，提高耗能能力。

虽然FRP抗震加固可以提高构件的延性，但同时也可能会改变构件的薄弱环节，乃至改变构件的破坏情况，甚至影响整个结构的破坏机理。针对此问题，文中以钢筋混凝土连续梁桥为模型，假定其中一个桥墩因为施工原因或其他破坏原因需要对其进行FRP抗震加固，研究桥墩在地震荷载作用下的破坏情况。

抗震混合试验方法[5-8]是目前较为先进的抗震试验方法，能够精准地再现地震荷载作用下的真实情况，是研究桥墩抗震性能水准较好的试验方法。因此文中采用抗震混合试验方法进行研究。

1 试验研究

1.1 试验概况

模型采用的四跨钢筋混凝土连续梁桥（图1）。上部结构为4 m×20 m的钢筋混凝土主梁，下部结构为钢筋混凝土双柱墩，墩高为4 m，截面为圆形，直径为1 m。双柱净距为3 m，柱顶布置盖梁，长为6 m。中间支座为固定支座，其余支座均为滑动支座。4#为问题桥墩，因为施工间断等原因，造成桥墩底部钢筋部分搭接。

图1 钢筋混凝土连续梁桥模型

1.2 混合试验系统建立

通过抗震混合试验方法进行试验研究。将跨中的4#桥墩作为试验子结构进行物理试验；其余部分作为计算子结构，采用OpenSees有限元软件进行模拟。

1.2.1 计算子结构的模型建立其中主梁采用弹性梁柱单元Elastic Beam Column Element定义；盖梁采用基于力的非线性梁柱单元Force-Based Beam-Column Element定义；而桥墩则采用基于位移的非线性梁柱单元Displacement-Based Beam-Column Element定义。

划分截面时，梁柱按不同的材料定义不同的纤维单元，混凝土按照箍筋约束划分为核心区混凝土和保护层混凝土。

定义本构关系时，保护层混凝土采用Concrete02Material模型，即Kent-Park本构模型[9]；箍筋约束的核心区混凝土采用Concrete04Material模型，即Mander本构模型[10]，该模型能够较好地反映箍筋对核心区混凝土的约束作用；纵向钢筋则采用Steel02Material模型，即Giuffré-Menegotto-Pinto本构模型[11]，该模型充分考虑了钢筋的强化。

1.2.2 试验子结构的模型建立试验子结构模型采用1∶2.5缩尺进行尺寸设计。为了保证模型构件与原型构件塑性开展过程和破坏形态是基本一致的，取应变相似比为1。模型桥墩内部钢筋的配筋仅需保证纵筋配筋率和箍筋体积配箍率与原型桥墩一样即可。设计参数如表1所示，桥墩模型配筋如图2所示。

表1 桥墩模型设计参数

图2 桥墩模型配筋图（单位：mm）

模型混凝土采用C30，立方体抗压强度为34.1 MPa，换算成圆柱体抗压强度为26.9 MPa；纵向钢筋采用HRB335钢筋，直径为14 mm，屈服强度为364 MPa，极限强度为522 MPa，拉伸率为22%，钢筋弹性模量为2.0×105MPa；箍筋采用HPB300钢筋，直径为6 mm，间距为100 mm。

1.2.3 试验加载装置及工况根据顺桥向受力原理，设计加载方式如图3所示，首先在柱顶通过连接球铰的千斤顶施加一个恒定的轴向力（根据原型桥墩轴压力缩尺而得，为24.6 t），千斤顶顶部连接滑板，可以随着试件墩顶位移滑动。然后通过MTS电液伺服加载系统控制电液伺服作动器在墩顶进行位移控制加载。柱底用地锚进行锚固，并在两端运用千斤顶和钢块进行限位，防止底部出现滑移。在塑性铰区域纵向钢筋、混凝土处粘贴了应变片，并在墩顶、塑性铰区域顶部和底柱处分别架设了位移计。

1.3 试验子结构桥墩破坏分析及FRP抗震加固方法

对于墩柱构件，根据大量的理论研究以及试验现象显示其破坏一般会在底部出现裂缝并逐渐破坏延伸最终形成塑性铰，柱身出现分布较为均匀的水平裂缝。根据图2所示，桥墩纵向钢筋共有12根，其中搭接钢筋为6根，占总钢筋的50%；钢筋搭接的部位正好处在桥墩的塑性铰区域，即桥墩本身的薄弱部位。综合以上几点，该试验桥墩必然在塑性铰区域出现破坏，且比其他桥墩更容易破坏。

图3 试验加载方式

根据以上试验桥墩破坏分析，文中主要采用塑性铰加固，如图4所示。在桥墩底部预留10 mm间隙，防止FRP直接承受轴向力，加固区域FRP缠绕3层。

1.4 试验工况

选取El-Centro地震波，按照抗震规范7度E1、7度E2、8度E2、9度E2峰值加速度调幅在顺桥向对桥墩进行加载。试验工况如表2所示。

图4 FRP加固方法

表2 试验工况

2 试验现象及分析

2.17 度E1地震作用

在7度E1地震作用下，桥墩无明显可见裂缝。分析试验数据得桥墩地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线如图5所示（文中所有提到的试验数据均为考虑了相似关系后放大的原型桥墩的数据）。从滞回曲线可以看出，试件存在破坏，但较为轻微。

图5 7E1地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线

试件FRP加固区域上部两侧混凝土应变时程曲线如图6与图7所示，从时程曲线明显可以看出，应变片没有出现破坏，即应变片区域没有出现裂缝；但混凝土应变片时程曲线与桥墩位移时程曲线存在些许差异，即除应变片区域外，其他区域可能出现裂缝，而FRP加固区域外没有裂缝出现，所以裂缝可能存在于FRP加固区域下部且因为FRP的覆盖遮挡而无法通过试验现象观察到。

图6 左侧混凝土应变时程曲线

图7 右侧混凝土应变时程曲线

试件FRP加固区域两侧贯穿钢筋应变时程曲线见图8～9，左侧贯穿钢筋最大应变为1 153×10-6，右侧贯穿的最大应变为780×10-6，而钢筋的屈服应变为1 820×10-6，所以此时试件两侧贯穿钢筋依然处于弹性阶段。

2.27 度E2地震作用

在7度E2地震作用下，在变形达到峰值时可以发现FRP加固区域上沿出现细裂缝，随着位移减小，细裂缝逐渐闭合，裂缝为水平裂缝，如图10所示。分析试验数据得桥墩地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线如图11所示。从滞回曲线也可以看出，试件破坏进一步加深。

图8 左侧混凝土应变时程曲线

图9 右侧混凝土应变时程曲线

图10 7E2地震作用下桥墩的破坏情况

图11 7E2地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线

试件FRP加固区域混凝土应变片全部破坏，即应变片区域混凝土出现大量破坏，结合试验现象可以认为在7度E2地震作用下，混凝土破坏从FRP加固区域下部发展到FRP加固区域上部，并逐渐发展到FRP加固区域上沿。

试件FRP加固区域两侧贯穿钢筋应变时程曲线见图12～13，左侧钢筋最大应变为2 827×10-6，右侧最大应变为1 933×10-6，而钢筋的屈服应变为1 820×10-6，所以此时试件两侧贯穿钢筋已经屈服，进入塑性阶段。

图12 左侧混凝土应变时程曲线

图13 右侧混凝土应变时程曲线

2.38 度E2地震作用

在8度E2地震作用下，FRP上沿混凝土裂缝开展较为明显，柱身出现明显水平裂缝。底梁混凝土出现开裂翘起现象，如图14所示。分析试验数据得桥墩地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线见图15。从滞回曲线也可以看出，试件破坏较为严重。试件塑性铰区域两侧贯穿钢筋应变片破坏，此时钢筋屈服较为严重。

图14 7E2地震作用下桥墩的破坏情况

图15 8E2地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线

2.49 度E2地震作用

在9度E2地震作用下，桥墩的混凝土裂缝在原来的基础上继续向外延伸，混凝土裂缝宽度加宽，底梁混凝土开裂桥底更为严重，如图16所示。分析试验数据得桥墩地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线如图17所示。从滞回曲线也可以看出，试件破坏极为严重。

图16 7E2地震作用下桥墩的破坏情况

图17 9E2地震作用下的位移时程曲线和滞回曲线

结合以上试验现象及数据分析得出，在7度E1地震作用下，试件FRP加固区域下部混凝土出现开裂，上部混凝土没有破坏，FRP加固区域贯穿钢筋始终处于弹性阶段；在7度E2地震作用下，试件混凝土破坏从FRP加固区域下部发展到FRP加固区域上部，并逐渐发展到FRP加固区域上沿，试件FRP加固区域两侧贯穿钢筋已经屈服，进入塑性阶段；在8度E2地震作用下，试件混凝土破坏加深，并在FRP加固区域上沿逐步向上开展，柱身出现明显的水平裂缝，底梁混凝土开裂翘起，试件FRP加固区域两侧贯穿钢筋屈服严重；在9度E2地震作用下，试件混凝土破坏更为严重，试件FRP加固区域上沿混凝土裂缝在原来的基础上继续向外延伸，混凝土裂缝宽度加宽，底梁混凝土开裂严重，试件接近倒塌。

试件去除FRP最终破坏情况如图18所示，可以明显看出，FRP加固区域出现破坏但并不严重，桥墩的破坏主要集中在FRP加固区域上沿以及底梁部分。此现象显示FRP加固对于试件的破坏产生了非常大的影响。原本的薄弱部位因为FRP的加固，延性得到了很大的提高，继而造成在强震作用下桥墩的薄弱部位转移到了FRP加固区域的上沿以及底部的底梁，因此，其破坏较塑性铰区域更为严重。

3 结论

针对桥墩底部薄弱部位进行FRP加固以后，试验研究发现，原本的薄弱部位（即塑性铰区域）破坏并不严重，而FRP加固区域上沿以及桥墩的底梁反而出现较为严重的破坏，因此可以得出：

（1）桥墩的薄弱部位因为FRP加固，延性得到了很大的提高；

（2）桥墩的薄弱部位FRP加固以后造成在地震作用下桥墩的薄弱部位转移到了FRP加固区域的上沿以及试件的底梁，此时整个构件的破坏机理发生了改变；

（3）规范中明确规定搭接钢筋在同一断面上的搭接数量不能超过30%，因此对于施工中可能存在的同一断面搭接钢筋数量超过30%的情况时，可以采用FRP加固方法对其进行加固处理。

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Research on the failure mechanism of seismic strengthening of bridge piers with FRP based on hybrid test

ZHANG Wei，TIAN Shizhu
（School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

Seismic strengthening with FRP can improve the ductility of the component,but at the same time,it may change the weak parts of the component,then change the failure mechanism of the component,sometimes even affect the whole structure.To solve this problem,this paper usea reinforced concrete continuous beam bridge as the model,assumethat one of the piers need to carry outseismic reinforcementwith FRP because of the construction of intermittent and other reasons caused the bottom of the bridge pier partial lap joint.The damage of bridge pier under seismic load is studied through the method of hybrid test.The results show that the ductility of the member is greatly improved by seismic strengtheningwith FRP,but it may also change the failure mechanism of the component.

reinforced concrete bridge piers;seismic strengthening with FRP;hybrid test;OpenSees

U443.22

A

1672-0679（2016）04-0038-06

（责任编辑：秦中悦）

2016－04-12

张玮（1988-），男，江苏连云港人，硕士研究生。

田石柱（1962-），男，博士，教授，从事结构实验方法与技术、结构振动控制、结构健康监测研究，Email：tianshizhu@mail.usts.edu.cn。