超高性能混凝土(UHPC)套筒-基础连接方式对低纵筋率铁路桥墩抗震性能的影响机制研究

为解决低纵筋率铁路桥墩抗震性能不足的问题，研究人员通过拟静力试验和数值模拟，探究了UHPC套筒与基础不同连接方式（含/不含抗剪栓钉）对桥墩力学行为的影响。研究发现，无栓钉连接的UHPC套筒能平衡承载力与变形能力，为铁路桥墩抗震加固提供了优化方案。

　　

铁路桥梁作为交通网络的关键节点，其抗震性能直接关系到灾后快速恢复和经济损失控制。然而，我国部分既有铁路桥墩存在纵筋配筋率低（仅0.2%–0.5%）、截面尺寸大的特点，这类桥墩在地震中易出现底部集中裂缝导致钢筋断裂，与传统适筋桥墩的塑性铰破坏模式截然不同。虽然钢筋混凝土(RC)套筒加固技术已在公路桥梁中广泛应用，但其用于大截面铁路桥墩时存在施工难度大、经济性差等问题。超高性能混凝土(UHPC)凭借其超高强度、优异耐久性和界面粘结性能，为解决这一难题提供了新思路。

为探究UHPC套筒加固低纵筋率铁路桥墩的最佳方案，中国国家自然科学基金资助项目团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表了最新研究成果。研究通过设计三种不同界面连接的桥墩试件（无套筒对照组、无栓钉UHPC套筒组、含栓钉UHPC套筒组），采用拟静力循环加载试验结合精细化有限元分析，系统评估了加固效果。

关键技术方法包括：

1. 采用位移控制的拟静力加载制度模拟地震作用
2. 基于三维实体单元和桁架单元的精细化有限元建模
3. UHPC-普通混凝土界面行为的罚函数接触算法
4. 纵筋应力-应变分布的光纤光栅传感器监测
5. 能量耗散能力的滞回曲线定量分析

主要研究结果

破坏模式与裂缝分布
对照组(CS)试件在±9 mm位移时出现底部水平裂缝，最终因纵筋断裂破坏。无栓钉UHPC套筒试件(S-UHPC)裂缝同时出现在套筒底部和顶部未加固截面，而含栓钉试件(S-UHPC-D)破坏位置转移至套筒顶部未加固区域，验证了栓钉对损伤位置的调控作用。

力学性能对比
UHPC套筒使试件承载力提升27%–50%，但变形能力有所降低。无栓钉试件表现出更优的累积耗能能力，其等效粘滞阻尼系数比含栓钉试件高18.6%，说明单纯依靠UHPC界面粘结即可实现有效能量耗散。

应力-应变机制
有限元分析揭示：无栓钉连接时，纵筋应力在多个裂缝处同步进入屈服阶段；而栓钉连接导致应力集中加速，使套筒顶部未加固区域纵筋应变快速增长。这表明不同连接方式改变了结构内力重分布路径。

加固参数优化
基于弯矩需求-能力分布分析，提出UHPC套筒高度应覆盖潜在塑性区，且无需设置抗剪栓钉的设计建议。计算表明，当套筒高度≥1.5倍截面尺寸时，可有效控制裂缝发展。

结论与意义
该研究首次系统论证了UHPC套筒加固低纵筋率铁路桥墩的可行性，明确了界面连接方式对力学性能的调控机制：

1. 无栓钉UHPC套筒通过多裂缝协同耗能机制，实现了承载力与延性的最佳平衡，避免了传统RC套筒加固导致的破坏位置迁移问题。
2. UHPC优异的界面粘结性能可替代机械锚固，简化施工流程并减少对原结构的损伤，特别适合既有铁路桥墩的快速加固。
3. 提出的设计方法为修订铁路桥梁抗震规范提供了理论依据，对提升我国铁路网络抗震韧性具有重要工程实践价值。

研究团队进一步指出，未来需开展足尺试验验证该技术的规模化应用效果，并开发适用于不同地质条件的地震易损性分析方法。这些发现不仅适用于铁路桥梁，对其他低配筋率混凝土结构的抗震加固同样具有借鉴意义。