局部采用PVA-ECC的铁路重力式桥墩塑性铰区抗震性能研究：准静态试验与数值分析

《Engineering Failure Analysis》：The seismic performance of railway gravity piers with localized PVA-ECC in the plastic hinge zone: Quasi-static test and numerical analysis

　　

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  对铁路重力式桥墩塑性铰区域采用PVA-ECC的桥墩进行了准静态试验。
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  对不同PVA-ECC置换高度下的抗震损伤、滞回响应和性能进行了评估。
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  确定了不同配筋率铁路重力式桥墩的PVA-ECC最优置换高度。

引言

与细长的高速公路桥梁桥墩不同，作为铁路桥梁承重构件的重力式桥墩严重依赖其自身巨大的自重来抵抗强烈地震、列车制动和气动风荷载引起的巨大倾覆弯矩和水平滑移力[1]、[2]、[3]。震后调查和工程实践表明，传统的钢筋混凝土（RC）铁路重力式桥墩，尽管其截面尺寸很大，但由于配筋薄弱且高宽比较小，在强震作用下表现出独特的结构脆弱性[4]、[5]、[6]、[7]。与公路桥梁桥墩常见的纯弯曲破坏或早期脆性剪切破坏不同，重力式桥墩极易发生以弯曲为主的或弯剪复合损伤，尤其是在墩底部位[8]、[9]、[10]、[11]。这种复杂的损伤模式表现为潜在塑性铰区域内混凝土严重压碎、保护层大范围剥落，随后纵筋屈曲，导致侧向刚度迅速退化和结构完整性过早丧失[12]、[13]、[14]。因此，在保持巨大承载力的同时，加强墩底区域的损伤约束能力和延性对于确保铁路网络的长期安全运营具有重要意义。

在传统钢筋混凝土结构中，普通混凝土较差的拉伸韧性和较低的抗裂性，往往无法抵抗内部钢筋屈服后的快速裂纹扩展和严重的混凝土剥落[15]、[16]。这一性能瓶颈已通过设计各种高性能复合材料得以解决，如纤维增强聚合物（FRP）[17]、[18]、[19]、[20]、超高性能混凝土（UHPC）[21]、[22]、[23]、[24]和工程水泥基复合材料（ECC）[25]、[26]、[27]、[28]，这些材料在关键区域的加固或新建结构中得到广泛探索。虽然外部FRP约束可以有效提高混凝土延性并防止剥落，但在现场施工质量、耐火性、长期耐久性以及防止内部混凝土退化方面面临严格限制。虽然UHPC提供卓越的抗压强度和优异的耐久性，但其超高的抗压模量、在循环荷载下的固有高强度脆性、高昂的材料成本、界面钢纤维方向差异以及界面过渡区的潜在不兼容性，都可能阻碍塑性铰区域内稳定的能量耗散。相比之下，聚乙烯醇（PVA）-ECC由于其独特的拟拉伸应变硬化行为和多重微裂纹机制，在此领域显示出应用前景[29]、[30]、[31]、[32]。利用纤维桥接效应，PVA-ECC可以将裂纹宽度限制在微米尺度，并表现出卓越的损伤容限，使其特别适合于潜在塑性铰区域的局部"可控损伤"设计[33]、[34]、[35]。在这些关键区域引入PVA-ECC，有望将结构失效模式从脆性混凝土压碎转变为稳定、致密的微裂纹扩展[36]、[37]、[38]、[39]。尽管PVA-ECC的拉伸应变硬化行为有利于控制裂纹宽度，但桥墩的抗震性能还受到置换高度、轴力、配筋率和ECC-混凝土界面行为的影响。因此，必须针对特定类型的桥墩验证局部PVA-ECC置换的结构有效性，而不能直接从材料性能推断。

已有大量研究验证了高性能水泥基复合材料的应用，大致可分为三个不同的类别。第一类聚焦于对既有钢筋混凝土柱或桥梁桥墩采用ECC外套或包裹式加固[40]、[41]、[42]、[43]。对各种设计方案的研究，如预制ECC外套和FRP/ECC混合配置，表明外部外套可以有效抑制混凝土剥落、减轻循环荷载下的强度退化，并提高震后修复性。第二类涉及在新建或韧性桥梁桥墩的塑性铰区域采用局部ECC置换[44]、[45]、[46]、[47]。利用聚丙烯（PP）-ECC或PVA-ECC段在潜在塑性铰区域的研究，证实了整体位移延性和能量耗散能力的显著提升。第三类涵盖专门针对铁路重力式桥墩的抗震加固和结构构造设计，采用碳纤增强聚合物（CFRP）片材、钢网格或外部耗能构件等技术，以应对其固有的低配筋率和巨大截面问题[48]、[49]、[50]、[51]。

然而，一个关键的局限性仍然存在：绝大多数的现有局部置换研究（第二类）根本上是针对细长的高速公路桥墩而设计的，这些桥墩的剪跨比较大，结构损伤明确以纯弯曲变形为主导。相比之下，铁路重力式桥墩具有独特的物理特征，包括巨大的截面尺寸（通常是公路桥墩的6到9倍）、巨大的结构自重和极高的侧向刚度。这些特征从根本上使其抗震响应和力学边界条件与细长柱体截然不同。因此，现有研究结果无法直接外推到铁路重力式桥墩体系。在循环侧向荷载作用下，铁路重力式桥墩的巨大几何尺寸和高侧向刚度往往导致显著的弯剪耦合效应，而非纯弯曲，从而在墩底诱发复杂的多轴拉-压应力状态。此外，在低纵/横向配筋率和较低的名义轴压比的独特组合下工作的铁路重力式桥墩，其损伤扩展和能量耗散机制与高配筋的高速公路桥墩有显著差异。因此，在铁路重力式桥墩的塑性铰区域采用PVA-ECC成为一种不可替代的多轴约束和损伤容限手段，从根本上不同于传统的细长柱。关于局部PVA-ECC置换的低配筋铁路重力式桥墩的失效模式转变机制、异质材料界面间的裂纹扩展以及极限承载力演化，系统的实验数据和数值验证仍然非常稀缺。

本研究设计并制作了三个1:8缩尺的铁路重力式桥墩模型：一个完全由普通混凝土制成的对比试件，以及两个在塑性铰区域采用不同PVA-ECC置换高度的组合式桥墩试件。通过准静态试验和数值模拟，系统地研究了PVA-ECC组合重力式桥墩的抗震性能和失效机制。

章节摘要

缩尺试件设计

以简支梁铁路桥梁的重力式桥墩为原型，制作了缩尺模型用于试验研究。原型桥墩总高10.0米，矩形实体截面为2.88米×2.0米（C30混凝土）。桥墩模型按照相似律设计为1:8的几何缩尺，每个试件高度为1250毫米，截面尺寸为360毫米×250毫米。共制作了三个缩尺桥墩试件

破坏模式与损伤演化

试件RC的破坏模式如图6所示。根据试验数据，当位移角达到0.72%时，墩底区域沿东西方向出现微裂纹。当位移角达到0.88%时，在南北方向墩底上方15厘米处形成第二组裂纹网络。随着荷载增加，四面体的裂纹逐步扩展，最终形成贯通裂纹系统。在位移角2.4%至3.2%的范围内，墩底西部和

刚度退化演化

刚度退化是指在准静态荷载作用下刚度逐渐降低的过程，刚度作为变形能力的代表指标。导致混凝土贡献丧失的混凝土开裂和纵筋屈服解释了刚度退化的主要比例。采用平均割线刚度K量化了桥墩试件在各加载位移水平下的刚度演化，并确定了

有限元建模与验证

利用在ABAQUS中建立的精细化有限元模型，系统地研究了不同配筋率下PVA-ECC的最优置换高度。将数值结果与实验数据进行严格验证，以确保有限元分析的准确性和可靠性。

基于有限元分析的参数研究

已有众多研究表明，轴压比和配筋率对低配筋混凝土桥墩的抗震性能具有显著影响。本工作还发现桥墩的抗震行为受到PVA-ECC置换高度变化的显著影响。通过ABAQUS中建立的12个有限元模型，研究了不同PVA-ECC置换高度的组合RC/PVA-ECC桥墩在

结论

通过综合实验和数值分析，研究了PVA-ECC置换高度对铁路重力式桥墩抗震性能的影响。从结果中得出以下主要结论：

(1) 在墩底局部采用PVA-ECC有效控制了重力式桥墩的裂纹扩展和裂纹宽度。引入PVA-ECC显著减轻了塑性铰区域内混凝土剥落，主要归因于纤维桥接效应。

作者贡献声明（CRediT）

陆金华：验证、项目管理、资金获取、概念设计。王鹏：初稿撰写、软件、调查、形式分析。高建强：审阅与编辑、验证、监督。丁明波：验证、监督、调查。米浩宇：验证、监督、调查。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到甘肃省教育厅研究生创新星火项目（项目编号：2026CXZX-738）、甘肃省自然科学基金（项目编号：26JRRA571）和兰州交通大学天佑博士后基金（项目编号：TYBSH_KJ_202306）的支持。作者感谢所有参与这些项目的人员的帮助。我们也感谢EssentialsLink Language Services（https://www.essentialslink.cn/）提供的语言

陆金华|王鹏|高建强|丁明波|米浩宇