聚氨酯粉煤灰材料的力学特性及在桥墩抗震加固上的应用研究

邓晓琼

（海南省公路勘察设计院，海南 海口 570311）

聚氨酯粉煤灰材料的力学特性及在桥墩抗震加固上的应用研究

邓晓琼

（海南省公路勘察设计院，海南 海口 570311）

对聚氨脂粉煤灰材料的力学特性进行了实验研究，提出外包聚氨酯粉煤灰材料与箍筋对钢筋混凝土桥墩进行抗震加固的新方法，并利用ABAQUS有限元软件建立实体模型进行数值模拟，对其抗震性能进行了解析。

聚氨酯粉煤灰材料；混凝土；钢筋混凝土桥墩；P-Δ曲线；抗震加固

0　引言

随着科学技术水平的不断提高以及当代工程的需求，新型材料的研发成为热门。对于桥梁抗震加固领域来说，研究利用新材料对既有结构进行抗震加固，具有重要的现实意义和工程实用价值。哈尔滨工业大学的刘贵位老师以工业废物——低等级粉煤灰为主要材料，研发出了一种既经济又实用的环保型新材料——聚氨脂粉煤灰材料[1-4]。本文将对其主要力学特性进行实验研究，并根据试验结果初步研究其在桥墩抗震加固上的应用。

1　聚氨酯粉煤灰材料力学特性试验研究[5]

1.1材料组成

粉煤灰(Fly-ash)是在煤粉炉中燃烧煤粉时从烟道气体中收集到的细颗粒粉末，SiO2和A12O3是粉煤灰的主要活性成分，约占总重量的70%以上。聚氨酯(PU)是一种性能优异的高分子弹性材料,它是以低聚多元醇为软段,异氰酸酯和扩链剂为硬段的嵌段化合物,化学结构中含有氨基甲酸酯、醚键、脲键和脲基甲酸酯键等多种极性键，具有良好的耐磨性、耐化学品性、柔韧性、粘结性及成膜性能。将两种材料作为主要原料进行配合比设计，采用特殊发泡技术，研制出一系列的聚氨酯粉煤灰材料。

1.2力学特性试验

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）[6]中的试验方法，对4种不同密度的聚氨酯粉煤灰材料（表中列出的 case1～ case4）分别进行3种试验来测定其力学特性——抗压强度试验和抗压弹性模量试验、抗弯拉强度试验和抗弯拉弹性模量试验、劈裂抗拉强度试验。结果与混凝土对比如下。

（1）聚氨酯粉煤灰材料的强度与混凝土的对比（见表1）

表1　聚氨酯粉煤灰各系列强度与混凝土的对比

由上述结果可以看出，聚氨酯粉煤灰材料的强度随密度的增加而成不同程度的增加，抗压强度和密度之间的关系可以拟合成二次函数形式，而抗弯拉强度与密度之间则成正比例关系。各系列的抗压强度和抗弯拉强度与普通混凝土进行了比较，case2（γ=0.8 t/m3）的抗压强度为20 MPa，基本接近普通混凝土，随着密度的增大，case3（γ= 1.2 t/m3），case4（γ=1.4 t/m3）分别能达到45 MPa、62 MPa，表现出良好的抗压性能。随着密度的增大，聚氨酯粉煤灰材料的抗拉性明显优于普通水泥混凝土，case2（γ=0.8 t/m3）的抗拉强度约是其5倍，case4（γ=1.4 t/m3）则能达到普通混凝土的10倍以上。

（2）聚氨酯粉煤灰材料的弹性模量与混凝土的对比（见表2）

表2　聚氨酯粉煤灰各系列抗压弹模与混凝土的对比

由上述结果可以看出，聚氨酯粉煤灰材料的弹性模量明显小于普通水泥混凝土，case1～case4的弹性模量分别为普通混凝土的1/39，1/12,1/5, 1/4。

（3）聚氨酯粉煤灰材料的应力-应变关系（见图1）

图1　聚氨酯粉煤灰应力-应变关系

根据单调加载实验的结果，建立聚氨酯粉煤灰材料的抗压应力-应变关系和抗弯拉应力-应变关系。

式中：σ为应力，N/mm2；ε为应变；σck为抗压强度，N/mm2；σ、β为试验常数（见表3）。

表3　聚氨酯粉煤灰材料的力学特性

从应力-应变关系曲线可以看出，聚氨酯粉煤灰材料的极限压应变约为0.015，与普通水泥混凝土（约为0.002）接近；而极限拉应变约为0.005,是普通混凝土的30～50倍（普通水泥混凝土的极限拉应变约为0.000 1～0.000 15）。

从以上总结出聚氨酯粉煤灰材料具有如下优越性:

对新型复合材料——聚氨酯粉煤灰进行了一系列的力学特性试验，通过最小二乘法拟合出了其强度和密度、弹性模量和密度以及应力应变关系，并与普通的水泥混凝土进行了对比。最后总结了该材料诸多优点：轻质高强、抗拉强度高、韧性好且经济环保，指出了其在抗震领域良好的应用前景。

2　利用聚氨酯粉煤灰材料对钢筋混凝土桥墩进行抗震加固[2，3]

2.1加固方案

利用聚氨酯粉煤灰材料良好的力学特性，本文提出针对钢筋混凝土桥墩的新型抗震加固方法，并选用精度较高的ABAQUS有限元程序[7]建立实体模型对其抗震性能进行研究分析。

本文选取文献[8]中试验模型系列Ⅰ的11号墩柱为试验柱（SZ），柱高1 500 mm，横截面为b× d=400 mm×400 mm，保护层厚度为42 mm，剪跨比为4.0，纵筋配置1216，箍筋配置6@100。加固方案为在试验柱（SZ）表面包裹8@100的箍筋，而后涂抹厚度为12 mm的聚氨酯粉煤灰材料，加固后的墩柱命名为JSZ。对墩柱SZ和JSZ分别进行单向静力水平加载试验，垂直作用在墩柱上的竖向力为235.2 kN，水平力作用在墩柱顶部。本试验中纵筋采用二级螺纹钢筋，箍筋采用一级光圆钢筋,具体材料性能参数见表4。墩柱编号及主要参数见表5，图2、图3为横截面及立面示意图。

表4　墩柱材料性能参数明细表

表5　墩柱编号及主要参数

图2　横截面示意图

图3　立面示意图

2.2抗震性能评价指标

评价结构或构件的抗震性能主要看两方面：承载能力和变形能力。

承载能力是指为保证在预期的地震灾害中免受破坏，结构构件所具有的抵抗地震反应中产生的内力的能力。

变形能力，即通常所说的延性，是评价结构构件抗震性能的另一个重要指标。延性[7]是指截面或构件在初始强度没有明显退化的情况下承受变形的能力，或者表示为破坏前截面或构件所能够承受很大的后期变形。后期变形包括材料的塑性，应变硬化和应变软化阶段。图4中的力可以是荷载或弯矩，变形可以是曲率、转角或挠度。

图4　力-变形图

设Δy代表钢筋屈服时的变形或构件的变形曲线发生明显转折时的变形;Δu代表破坏或极限强度时的变形。后期变形能力通常以塑性变形Δu-Δy，或延性比Δu/Δy来表示。脆性破坏是到达最大承载能力后突然破坏，后期变形能力很小。由于脆性破坏是突然的，缺乏足够的预兆，必须避免其发生。

单调加载时构件的延性越大，力—变形曲线下面包含的面积越大。力—变形曲线下面包含的面积代表“吸收的能量”，所以构件的延性越大，吸收的地震能越多，抗震性能越好。衡量延性常用的指标有截面的曲率延性系数、结构或构件的位移延性系数、侧移比、耗能能力等。本文选用位移延性系数μ和θu侧移比来表征墩柱构件的延性大小。

（1）位移延性系数

位移延性系数定义为构件破坏时柱顶的水平位移Δu与屈服时柱顶的水平位移Δy之比，即：

式中：Δy为屈服位移；Δu为极限位移。

（2）侧移比

侧移比，即极限弹塑性位移角，定义为极限位移Δu与墩柱长度L之比，即：

式中：Δu为极限位移；L为墩柱高度。

2.3加固前后墩柱对比

图5是加固前后墩柱的荷载-位移曲线对比。

图5　未加固与加固柱荷载-位移曲线比较

由图5可以看出，加固柱的极限位移明显大于未加固柱，其承载力也有很大幅度的提高。在初始的弹性阶段，两曲线趋势基本吻合，加固柱的曲线略高于未加固柱。随着侧向位移的增加，加固柱的刚度比未加固柱有了显著的提高。进入塑性段之后，加固柱的曲线明显高于未加固柱，加固柱的承载力明显高于未加固柱。

按照前述的抗震性能参数的计算方法，计算出加固前后墩柱的位移延性系数、承载力及能量并将两者进行比较，具体见表6。加固后墩柱的极限承载力比未加固试件提高了28.9%，位移延性系数提高了28.6%，耗能能力提高了74.7%。故外包聚氨酯粉煤灰材料及箍筋对墩柱进行加固后，其抗震性能有了较大幅度的提高。

表6　加固前后墩柱的延性以及承载力对比

3　抗震加固机理分析

对加固墩柱加载初期，混凝土处于线弹性阶段，横向变形小，类似于素混凝土柱，聚氨酯粉煤灰材料和外包箍筋几乎对其不产生约束效应。随着水平方向所加荷载的增大，受压区混凝土进入塑性阶段，混凝土横向变形显著增加，外包层材料的应变也随之开始明显增长，对混凝土施加环向约束力，以控制其横向变形。由于环向约束力的存在，混凝土的极限压应变也得以提高，因而墩柱达到极限承载力时的变形有所增大。由此可见，外包聚氨酯粉煤灰材料与箍筋加固可较好地提高混凝土墩柱的承载能力和延性，改善其抗震性能。

4　与其他加固方式的对比分析

本节设计了墩柱JSZ1,外包聚氨酯粉煤灰材料厚度取15 mm，其他参数与JSZ完全相同。外包普通混凝土的墩柱命名为SSZ，其他参数与JSZ1完全相同。

在相同的加载情况下得到其荷载-位移曲线，如图6所示。

图6　外包聚氨酯粉煤灰与普通混凝土荷载-位移曲线对比

由图6可以看出，在弹性开始阶段两曲线相差不大，但是随着侧向位移的增加，外包聚氨酯粉煤灰材料的构件刚度不断增加。从塑性阶段一直到破坏，外包水泥混凝土的墩柱刚度呈逐渐减小趋势，而外包聚氨酯粉煤灰材料的墩柱刚度则没有明显下降。

由表7的分析计算结果可以看出，外包聚氨酯粉煤灰材料的墩柱的位移延性系数比外包普通混凝土提高了7.69%，极限承载能力提高了23%，耗能能力提高了69.5%，有着明显的优势。

表7　外包聚氨酯粉煤灰与普通混凝土的延性以及承载力对比

从对自重的增加方面对比，外包普通混凝土后原墩柱的自重增加了15.56%（44.82 kg），而外包聚氨酯粉煤灰后原墩柱自重只增加了7.78% （89.64 kg）。

5　结　语

通过对新型复合材料——聚氨酯粉煤灰材料的一系列力学特性试验研究，分析总结了该材料具有轻质、高强（高抗压强度及高抗拉强度）、韧性好等良好的力学特性。利用有限元软件ABAQUS对外包聚氨酯粉煤灰材料加固混凝土墩柱的抗震性能进行了非线性分析，得到如下结论：对钢筋混凝土墩柱外包聚氨酯粉煤灰材料和箍筋后，抗震性能有大幅度的提高；通过与外包普通水泥混凝土对比发现，外包聚氨酯粉煤灰后原墩柱自重增加较小，且抗震性能提高较大，所以与普通混凝土相比具有显著的优越性。

[1]Guiwei Liu.Hisanori Otsuka and Atsuo Shimizu:An experimental study on the restoring force characteristics of steel column filled with poly urethane mixed fly ash[J].Journals of the Japan Society Civil Engineering.，2008，63（4）:1-16.

[2]Guiwei Liu.Tomoyoshi Uyama and Hisanori Otsuka:Study on a new seismic retrofit method for an existing over though type steel arch bridge[J].JSCE Journal of Earthquake Engineering,2007 （29）:664-673.[3]Guiwei Liu,Hisanori Otsuka.An analytical study on the non-linear response characteristics of steel pope column filled by PUFA.JSCE Journal of Earthquake Engineering[J].Tomoyoshi Uyama and Hisanori Otsuka,2007(29):458-467.

[4]GuiweiLiu,HisanoriOtsuka.Afoundationalstudy on static mechanicalcharacteristics of the super lightweight and high strength material using fly-ash.Journal of the Society of Materials Science[J].Yoji Mizuta and Atsuo Shimitsu,2006,55(8):738-745.

[5]Japan Soiety of civil engineers:Recommendations for deasin and contruction of concrete structures using high strength lightweight aggregate made of fly ash[J].concrete library,2001（105）:45-49.

[6]JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[7]ABAQUS Theory M annual ABAQUS.Inc,2006.

[8]Study on deformation capacity of reinforced concrete bridge piers underearthquake.ByTadayoshiISHIBASHIandShin-ichi YOSHINO.1998,2.

U444

A

1009-7716（2016）10-0130-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.042

2016-06-18

邓晓琼（1987-），女，山东菏泽人，硕士，工程师，从事桥梁设计工作。