CN109338874B - 基于定向ecc的桥梁复合墩柱结构及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺，桥梁复合墩柱结构包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内。

Description

基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺

技术领域

本发明涉及基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

桥梁墩柱多采用钢筋混凝土结构的形式，主要由普通混凝土和钢筋组成。在地震荷载作用下，混凝土墩柱受拉纵筋屈服后，其柱截面会产生一定转角，形成一段塑性铰区域。塑性铰的形成能吸收部分地震能量，降低震害。工程上一般通过在桥梁墩柱塑性铰区采用高强混凝土、高强箍筋以及进行箍筋加密等方式来提高混凝土结构的抗震性能。但实践证明，通过提高混凝土强度，加密、改进箍筋来改善混凝土结构的延性和抗震性能是有限的。一方面，混凝土虽然具有抗压强度高、刚度大的特点，但也存在着易开裂、脆性大的缺点。在地震荷载作用下，桥梁墩柱受拉区的普通混凝土容易发生开裂，且裂缝数量较少，不能有效吸收地震能量，最后结构不可避免地沿一条主裂缝发生脆性破坏，结构的承载能力、变形能力和耐久性都较低。同时，过密的箍筋、复杂的箍筋形式，也会影响现场施工时混凝土的浇筑成型质量。

为提高混凝土结构的抗震性能，当前工程人员尝试在混凝土中掺入适量纤维，以改善混凝土材料的延性。ECC(Engineered Cementitious Composites)纤维增强水泥基复合材料便是其中一种合适的抗震材料，它以水泥砂浆或者混凝土为基体，通过添加纤维，使得材料在开裂时，裂缝发展能够得到有效的延缓和发散，极大地提高了结构的变形能力、抗裂能力、吸能能力和耐久性。通常，纤维混凝土(包括ECC)中的纤维呈现出乱序分布。因此，当混凝土结构的受力方向为多向时，采用这种乱序纤维混凝土能延缓结构的各向开裂。但从实际工程应用效果来看，一方面，混凝土柱的裂缝往往是沿水平向开裂的，因而当纤维混凝土中的纤维与裂缝开裂方向不正交，特别是相平行时，其抗裂性能将大打折扣。反映出乱序纤维混凝土的性能未能得到完全发挥，存在改进的空间。另一方面，纤维混凝土应用在桥梁墩柱抗震结构中时，其墩柱结构主要依靠纤维混凝土的分散开裂变形和钢筋屈服的塑性变形来吸收地震能。由此可知，纤维混凝土墩柱结构的正常工作阶段是在弹性阶段，而弹性工作阶段是无法有效消耗地震能的。一旦产生有地震荷载，该种纤维混凝土墩柱结构只能通过进入塑性阶段去吸收地震能，而结构的这种塑性变形往往是较大的，这使得桥梁墩柱在小震后裂缝数量较多，影响长期耐久性，在中震后变形过大无法继续有效工作，需要专门修复，成本高。

此外，在现场施工方面，桥梁墩柱往往需要较大的场地绑扎钢筋、放置材料和模板，且在浇筑混凝土时，需要人工多次振实以保证浇筑结构的密实成型，尤其是在桥梁墩柱的塑性铰区等关键部位。然而，由于绑扎有大量钢筋，这些关键部位往往会浇筑欠密实。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的一方面是提供基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，不仅能够大幅度提高了桥梁墩柱结构的开裂能力和抗震吸能能力，还能使桥梁墩柱在弹性阶段也能有效耗散地震能量，并且在震后有一定的自修复能力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；

所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；

所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内，所述低屈服点钢筋为Ⅰ级钢筋(235/370级)或Ⅱ级钢筋(335/510级)，所述高强钢筋为Ⅲ级钢筋(370/570)或Ⅳ级钢筋(540/835)。

首先，本发明采用定向纤维增强水泥基复合材料使纤维的分布方向正交于混凝土柱开裂的方向，进而增加在外荷载作用下，桥梁墩柱受弯拉开裂时承受拉力的纤维根数。而受拉纤维根数的增多，有利于进一步分散荷载，并在桥梁墩柱的纤维增强水泥基复合材料塑性铰区形成大量等间距的细裂缝，提高结构的开裂能力和抗震吸能能力。其次，本发明通过设置“低屈服点钢筋+高强钢筋”的复合配筋模式，使得桥梁墩柱结构在承受小震时，两种不同屈服点的钢筋均在弹性工作范围内，震后无需修复；桥梁墩柱结构在承受中震时，屈服点低的钢筋先进入塑性屈服状态，吸收部分地震能量。而高强钢筋仍处于弹性工作阶段，承担大部分地震荷载，并为震后结构提供一个恢复力，使结构经过加固或者无需加固即可重新使用，降低了维修费用；桥梁墩柱结构在承受大震时，两种屈服点不同的钢筋均进入屈服状态，可有效吸收地震能量，减小震害。

本发明的第二方面是提供一种预制上述桥梁复合墩柱结构的施工工艺，将若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎形成铰区钢筋骨架，在钢筋骨架周围支设墩柱塑性铰区模板，采用ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料进行纤维定向化，并将纤维定向化的纤维增强水泥基复合材料一层一层地浇筑至墩柱塑性铰区模板内，养护成型后装配即可。

本发明的有益效果为：

1)本发明将纤维增强水泥基复合材料中的乱序纤维定向化，大幅提高纤维的有效利用率。

2)本发明将定向纤维增强水泥基复合材料应用在桥梁墩柱塑性铰区，在外荷载作用下，当复合材料受拉开裂时，大量与拉力方向一致的纤维将有效分散荷载，并在该处塑性铰区形成大量细密的裂缝，进一步吸收荷载能量，减小桥梁墩柱损害。

3)本发明通过在桥梁墩柱内设置“低屈服点钢筋+高强钢筋”的复合配筋形式，可使墩柱结构在不同地震强度下进入不同工作阶段，有效减轻地震灾害。在小震下，桥梁墩柱处于弹性工作阶段，震后无需修复；中震下，桥梁墩柱中的低屈服点钢筋进入屈服状态，吸收部分荷载能量，而高强钢筋仍处于弹性工作阶段，继续承受大部分荷载，并为墩柱结构提供一个震后恢复力，减少修复费用；大震下，两种钢筋均进入屈服状态，有效吸收地震荷载能量，减小震害。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为实施例中采用ECC定向机的结构示意图；

图2为桥梁复合墩柱结构的装配示意图；

图3为灌浆示意图；

图4为定向纤维增强水泥基复合材料的桥梁复合墩柱结构示意图；

图5为图4中1-1向视图；

图6为图4中2-2向视图；

图7为低周反复水平荷载作用试验下的加载装置图；

其中，1、混凝土墩柱底座，2、混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，3、混凝土墩柱，4、铰区钢筋骨架，5、钢筋连接组件，6、接头钢筋，7、灌浆套筒。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决桥梁墩柱受拉区的结构的承载能力、变形能力和耐久性都较低等技术问题，本公开提出了基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构及施工工艺。

本公开的一种典型实施方式，提供了基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；

所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；

所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内，所述低屈服点钢筋为Ⅰ级钢筋(235/370级)或Ⅱ级钢筋(335/510级)，所述高强钢筋为Ⅲ级钢筋(370/570)或Ⅳ级钢筋(540/835)。

首先，本公开采用定向纤维增强水泥基复合材料使纤维的分布方向正交于混凝土柱开裂的方向，进而增加在外荷载作用下，桥梁墩柱受弯拉开裂时承受拉力的纤维根数。而受拉纤维根数的增多，有利于进一步分散荷载，并在桥梁墩柱的纤维增强水泥基复合材料塑性铰区形成大量等间距的细裂缝，提高结构的开裂能力和抗震吸能能力。其次，本公开通过设置“低屈服点钢筋+高强钢筋”的复合配筋模式，使得桥梁墩柱结构在承受小震时，两种不同屈服点的钢筋均在弹性工作范围内，震后无需修复；桥梁墩柱结构在承受中震时，屈服点低的钢筋先进入塑性屈服状态，吸收部分地震能量。而高强钢筋仍处于弹性工作阶段，承担大部分地震荷载，并为震后结构提供一个恢复力，使结构经过加固或者无需加固即可重新使用，降低了维修费用；桥梁墩柱结构在承受大震时，两种屈服点不同的钢筋均进入屈服状态，可有效吸收地震能量，减小震害。

混凝土墩柱内的钢筋骨架结构与混凝土墩柱的墩柱塑性铰区钢筋骨架结构相同。

该实施方式的一种或多种实施例中，包括混凝土墩柱底座，混凝土墩柱底座埋设钢筋连接组件，钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的铰区钢筋骨架连接。钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的钢筋骨架通过灌浆套管连接。钢筋连接组件的结构与材质与墩柱塑性铰区内的钢筋骨架相同。灌浆套管将钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的钢筋骨架连接后，向灌浆套管内注浆，以保证强度。

该系列实施例中，混凝土墩柱底座内设有底座钢筋骨架。

该实施方式的一种或多种实施例中，墩柱塑性铰区内的高强钢筋围成的钢筋骨架的截面与墩柱塑性铰区的截面相似。所述相似为个边的比例相同。墩柱塑性铰区内的低屈服点钢筋位于钢筋骨架的截面的边上。

该实施方式的一种或多种实施例中，高强钢筋为4根Φ12的3级钢筋(Ⅲ级钢筋)，低屈服点钢筋为4根Φ8的1级钢筋(Ⅰ级钢筋)。

该实施方式的一种或多种实施例中，所述定向纤维增强水泥基复合材料中的原料以质量份数计，水330～340份，水泥590～600份，粉煤灰710～720份，石英砂470～480份，减水剂6.5～6.6份，增稠剂0.2～0.3份，纤维20～30份。

本公开的另一种实施方式，提供了一种预制上述桥梁复合墩柱结构的施工工艺，将若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎形成铰区钢筋骨架，在钢筋骨架周围支设墩柱塑性铰区模板，采用ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料进行纤维定向化，并将纤维定向化的纤维增强水泥基复合材料一层一层地浇筑至墩柱塑性铰区模板内，养护成型后使用灌浆套管装配即可。

所述ECC定向机由第一推进部分和第二推进部分组成；所述第一推进部分包括第一电动机、第一出料筒和真空室，第一出料筒和真空室依次连通，第一电动机连接第一传动轴，第一传动轴依次贯穿第一出料筒和真空室，第一传动轴位于第一出料筒的部分设有第一螺旋叶片；所述第二推进部分包括第二电动机、第二出料筒，第二电动机连接第二转动轴，第二转动轴贯穿第二出料筒并指向第二出料筒的物料出口，第二出料筒的内壁沿物料设置流向为缩颈结构，第二转动轴设有第二螺旋叶片，第二出料筒与真空室连通。

进行纤维定向化的过程为，将ECC定向机水平放置，将含有纤维的物料加入至第一出料筒，第一电动机带动第一螺旋叶片旋转，使第一螺旋叶片推动含有纤维的物料前进并从第一出料筒挤出进入真空室，在真空室中被抽真空，使得含有纤维的物料中的气泡排出，排出气泡的含有纤维的物料进入第二出料筒，第二电动机带动第二螺旋叶片旋转，使第二螺旋叶片推动排出气泡的含有纤维的物料前进并从第二出料筒挤出。水平放置后使第一传动轴、第二传动轴均与地面平行。

通过ECC定向机器的螺旋挤压推出作用，给予材料一个高剪切力和高压缩力，进而促进基体中的纤维逐渐趋于一个方向排列，使得普通混凝土搅拌机拌和出来的纤维增强水泥基复合材料中的散乱纤维实现定向化分布。

第一推进部分还包括搅拌室，搅拌室、第一出料筒和真空室依次连通，第一传动轴依次贯穿搅拌室、第一出料筒和真空室。搅拌室和第一出料筒均为筒状结构，搅拌室的径向截面半径大于第一出料筒的径向截面半径，搅拌的轴线与第一出料筒的轴线在一条直线上，第一传动轴位于搅拌室的部分设有搅拌叶。能够保证搅拌室搅拌更多的物料。搅拌室通过缩颈筒与第一出料筒连接，所述缩颈筒为由搅拌室指向第一出料筒方向的缩颈结构，第一传动轴位于搅拌室的部分设有缩颈螺旋叶片，缩颈螺旋叶片与第一螺旋叶片连接，缩颈螺旋叶片的直径大于第一螺旋叶片的直径。第一电动机设置顺逆开关，顺逆开关能够控制第一电动机正反旋转。由于第一电动机同时控制螺旋叶片和搅拌叶，螺旋叶片的作用是推进物料，而搅拌叶的作用是搅拌物料，通过控制第一电动机的正反转，当螺旋叶片能够使物料推进时，主要电动机主要为螺旋叶片提供动力，当螺旋叶片不能使使物料推进时，主要以搅拌叶的搅拌为主，此时电动机主要为搅拌叶提供动力。

基于定向纤维增强水泥基复合材料的桥梁复合墩柱结构的施工方法的实施方式可采用预制装配施工的实施方式。

该实施方式的一种或多种实施例中，步骤为：

绑扎底座钢筋骨架和钢筋连接组件，向底座钢筋骨架浇筑混凝土形成混凝土墩柱底座，并使钢筋连接组件预留出接头钢筋；

将水、水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、增稠剂混合均匀形成水泥基体，向水泥基体中添加纤维搅拌均匀后获得纤维增强水泥基复合材料；

采用ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料通过ECC定向机的第一出料筒进行初次定向，然后真空去除气泡，再通过ECC定向机的第二出料筒进行二次定向即可获得定向纤维增强水泥基复合材料；

预制墩柱塑性铰区：绑扎墩柱塑性铰区的铰区钢筋骨架，并在铰区钢筋骨架周围支设墩柱塑性铰区模板，将纤维定向化的纤维增强水泥基复合材料一层一层地浇筑至墩柱塑性铰区模板内，预留出部分钢筋骨架作为铰区接头钢筋，在铰区接头钢筋安装灌浆套筒，养护后即可获得预制墩柱塑性铰区；

将混凝土墩柱底座与预制墩柱塑性铰区进行装配，使混凝土墩柱底座的接头钢筋套入预制墩柱塑性铰区的灌浆套筒，然后向灌浆套筒内进行灌浆。

该系列实施例中，混凝土墩柱底座的混凝土为C50混凝土。

该系列实施例中，纤维增强水泥基复合材料的制备过程为：

①按每立方米内，水、水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、增稠剂、纤维的质量分别为339g、593g、711g、474g、6.52g、0.25g、26g的比例称取原料；

②将水泥、粉煤灰、石英砂和增稠剂放入搅拌锅中干搅2分钟，使干料拌和均匀；

③在干料中加入水和减水剂的混合液搅拌3分钟，制备水泥基体；

④往水泥基体中加入纤维并搅拌5分钟，使纤维均匀分散于拌和物。需要注意的是，此时纤维为乱序分布。

该系列实施例中，定向纤维增强水泥基复合材料的定向过程为：

①将搅拌好的纤维增强水泥基复合材料注入ECC定向机搅拌室中；

②启动第一电动机，使纤维增强水泥基复合材料保持良好工作状态，避免出现干燥硬化；同时，搅拌室中的螺旋杆将带动复合材料向前通过第一出料筒挤出，进行纤维增强水泥基复合材料的初次定向；

③当纤维增强水泥基复合材料经操作②进入ECC定向机真空室时，打开真空排气装置，将纤维增强水泥基复合材料中的空气抽走；

④打开第二电动机，带动真空室中的纤维增强水泥基复合材料向前通过第二出料筒挤出，进行纤维增强水泥基复合材料的第二次定向。

通过操作②和操作④两次定向作用后，可实现复合材料中纤维的定向化。而操作③可保证材料的密实均匀性，避免出现大气泡。

该系列实施例中，养护时间均为3±0.1天。

该系列实施例中，将混凝土墩柱底座与预制墩柱塑性铰区进行装配的步骤如下：

①将预制好的墩柱塑性铰区部分吊装定位，使其灌浆套筒套入中桥墩普通混凝土预留的接头钢筋；

②定位后的对接区域使用密封条封仓，封仓结果只要柱不跑浆、满足灌浆压力要求即可；

③制备高强无收缩水泥灌浆料，应满足《GB/T 50448-2015水泥基灌浆材料应用技术规范》的要求，且其1d、3d、28d的抗压强度不宜低于35MPa、60MPa、100MPa；

④水洗后，从灌浆接头下方的灌浆孔处向套筒内进行压力灌浆，待接头上方的排孔连续流出浆料后，用橡胶塞封堵。

当灌浆料强度达到35MPa后可以浇筑桥梁墩柱的其余部分。

该系列实施例中，养护时间均为3±0.1天。

通过使用定向纤维增强水泥基复合材料预制桥梁墩柱塑性铰区并预留接头钢筋，同时以灌浆套筒为连接器进行装配施工，有利于提高工程施工效率，减少支模数量。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

实施例

本实施例采用的ECC定向机，如图1所示，由第一推进部分和第二推进部分组成；所述第一推进部分包括第一电动机、搅拌室、第一出料筒和真空室，搅拌室、第一出料筒和真空室依次连通，第一电动机连接第一传动轴，第一传动轴依次贯穿搅拌室、第一出料筒和真空室，第一传动轴位于搅拌室的部分设有搅拌叶，第一传动轴位于第一出料筒的部分设有第一螺旋叶片；第一推进部分包括第二电动机、第二出料筒，第二电动机连接第二转动轴，第二转动轴贯穿第二出料筒并指向第二出料筒的物料出口，第二出料筒的内壁沿物料设置流向为缩颈结构，第二转动轴设有第二螺旋叶片，第二出料筒与真空室连通。

搅拌室通过缩颈筒与第一出料筒连接，所述缩颈筒为由搅拌室指向第一出料筒方向的缩颈结构，第一传动轴位于搅拌室的部分设有缩颈螺旋叶片，缩颈螺旋叶片与第一螺旋叶片连接，缩颈螺旋叶片的直径大于第一螺旋叶片的直径。

本实施例采用预制装配施工的方法，图2～3所示，使用“低屈服点钢筋+高强钢筋”复合配筋形式的桥梁墩柱结构。步骤如下：

1)先浇筑桥梁墩柱的混凝土墩柱底座1，使用C50混凝土。底座内上下各配2根Φ16纵向3级钢筋，箍筋直径为6mm，间距150mm，形成底座钢筋骨架。此外，在混凝土底座需要预埋4根Φ12竖向3级钢筋和4根Φ8竖向1级钢筋，形成钢筋连接组件，并预留出接头钢筋6，以便进行后续装配施工；

2)绑扎预制桥梁墩柱塑性铰区部分的钢筋，包括4根Φ12竖向3级钢筋、4根Φ8竖向1级钢筋和间距为150mm、直径为6mm的箍筋，形成铰区钢筋骨架4，然后放置在相应模板内，预留出接头钢筋部分，安装灌浆套筒7；

3)制备纤维增强水泥基复合材料；按每立方米内，水、水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、增稠剂、纤维的质量分别为339g、593g、711g、474g、6.52g、0.25g、26g的比例称取原料拌和；

其中，减水剂采用聚羧酸系高效减水剂；增稠剂采用羟丙基甲基纤维素，粘度15万；纤维采用产自日本可乐丽公司的PVA纤维，纤维直径40μm，标准长12mm，抗拉强度1560MPa。

4)纤维增强水泥基复合材料定向化；将步骤3)中搅拌好的复合材料注入ECC定向机器中，通过机器的两次螺旋挤压推出作用，使复合材料中的纤维受到一个高剪切力和高压缩力，进而实现纤维定向化；

5)预制桥梁墩柱塑性铰区；将步骤4)中制备好的定向纤维增强水泥基复合材料浇筑于步骤2)中处理好的模板内，成型后覆膜养护3d；

6)装配：

①将步骤5)中预制好的桥梁墩柱定向纤维增强水泥基复合材料塑性铰区部分吊装定位，使其灌浆套筒套入步骤1)中预留的接头钢筋6；

②使用密封条密封对接区域的缝隙；

③制备高强无收缩水泥灌浆料，应满足《GB/T 50448-2015水泥基灌浆材料应用技术规范》的要求，且其1d、3d、28d的抗压强度不宜低于35MPa、60MPa、85MPa；

实施例中采用济南拓达建材有限公司生产的TD-B1超早强型灌浆料，实测1d强度52.3MPa，3d强度70.2MPa，28d强度91.1MPa。

④灌浆；从灌浆套筒7下方的灌浆孔处向灌浆套筒7内进行压力灌浆。待灌浆套筒7上方的排孔连续流出浆料后，用橡胶塞封堵排孔。当灌浆料强度达到35MPa后，方可进行下道工序；

7)在装配好的定向纤维增强水泥基复合材料塑性铰区之上支模板，向上浇筑桥梁墩柱的其余部分。最终成型的试件如图3～6所示，由下向上依次为混凝土墩柱底座1、混凝土墩柱的墩柱塑性铰区2、混凝土墩柱3。

8)低周反复水平荷载作用试验及结果

①将养护28天的基于定向纤维增强水泥基复合材料的混凝土柱试件放置于试验台上，通过竖向油缸施加一个轴向荷载，并保持恒载，如图7所示；

②在混凝土柱结构的顶部施加水平荷载，在试件屈服前，采用荷载控制，当试件纵筋进入屈服状态时，改为位移控制加载；

③试验中主要测试加载点的水平位移及其相应荷载，即试件的变形能力和承载能力，并由此计算试件在反复加载中的耗能；

④在加载的前期，试件表面未见裂缝产生。当加载至46KN左右时，试件首先在混凝土柱与底梁相接的柱脚部位出现细微水平裂缝。继续增加荷载，当混凝土柱的竖向钢筋屈服后，观察到在混凝土柱的定向ECC塑性铰区产生有大量水平分布的细密裂缝，开裂方向与ECC纤维分布方向垂直。当加载至90KN左右时，试件沿着一条水平主裂缝开裂破坏。

⑤根据试验结果，混凝土墩柱试件的屈服荷载为72KN，对应水平位移为9.65mm；极限荷载为93KN，对应水平位移为35.32mm；总耗能达到20836(KN·mm)。这表明在混凝土柱塑性铰区使用定向纤维增强水泥基复合材料能够提高结构的承载能力和延性，有利于加强混凝土柱的抗震吸能能力。同时，由于定向纤维和不同屈服点钢筋的存在，在外荷载作用下，混凝土柱塑性铰区表现出逐步地、均匀地产生大量细密的裂纹，而不是出现一条大主裂缝迅速发生脆性破坏，使得混凝土柱结构具有较高的损伤容限，可减小强震后的修复费用，提高了结构的耐久性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构，其特征是，包括连接混凝土墩柱底座和混凝土墩柱的墩柱塑性铰区，所述墩柱塑性铰区为钢筋混凝土柱状结构；

所述墩柱塑性铰区采用的混凝土为定向纤维增强水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料为水泥基体内的纤维趋于一个方向排列的水泥基复合材料，定向纤维增强水泥基复合材料内的纤维的趋向方向与墩柱塑性铰区的轴向相同；

所述墩柱塑性铰区采用的钢筋骨架由若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎而成，所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均两两平行，且所有低屈服点钢筋和所有高强钢筋均不在一个平面内，所述低屈服点钢筋为Ⅰ级钢筋或Ⅱ级钢筋，所述高强钢筋为Ⅲ级钢筋或Ⅳ级钢筋；

实现上述定向纤维方向趋向墩柱塑性铰区的轴向的工艺为：将若干低屈服点钢筋和若干高强钢筋通过箍筋绑扎形成铰区钢筋骨架，在钢筋骨架周围支设墩柱塑性铰区模板，采用ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料进行纤维定向化，并将纤维定向化的纤维增强水泥基复合材料一层一层地浇筑至墩柱塑性铰区模板内，养护成型后装配即可；

所述ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料进行纤维定向化的方法为：

采用ECC定向机将纤维增强水泥基复合材料通过ECC定向机的第一出料筒进行初次定向，然后真空去除气泡，再通过ECC定向机的第二出料筒进行二次定向即可获得定向纤维增强水泥基复合材料。

2.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，包括混凝土墩柱底座，混凝土墩柱底座埋设钢筋连接组件，钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的铰区钢筋骨架连接。

3.如权利要求2所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，钢筋连接组件与墩柱塑性铰区内的钢筋骨架通过灌浆套管连接。

4.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，混凝土墩柱底座内设有底座钢筋骨架。

5.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，墩柱塑性铰区内的高强钢筋围成的钢筋骨架的截面与墩柱塑性铰区的截面相似，墩柱塑性铰区内的低屈服点钢筋位于钢筋骨架的截面的边上。

6.如权利要求1所述的桥梁复合墩柱结构，其特征是，高强钢筋为4根Φ12的3级钢筋，低屈服点钢筋为4根Φ8的1级钢筋。

7.如权利要求1所示的桥梁复合墩柱结构，其特征是，所述定向纤维增强水泥基复合材料中的原料以质量份数计，水330～340份，水泥590～600份，粉煤灰710～720份，石英砂470～480份，减水剂6.5～6.6份，增稠剂0.2～0.3份，纤维20～30份。

8.一种如权利要求1所述的基于定向ECC的桥梁复合墩柱结构的施工工艺，其特征是，绑扎底座钢筋骨架和钢筋连接组件，向底座钢筋骨架浇筑混凝土形成混凝土墩柱底座，并使钢筋连接组件预留出接头钢筋；

将水、水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、增稠剂混合均匀形成水泥基体，向水泥基体中添加纤维搅拌均匀后获得纤维增强水泥基复合材料；

预制墩柱塑性铰区：绑扎墩柱塑性铰区的铰区钢筋骨架，并在铰区钢筋骨架周围支设墩柱塑性铰区模板，将纤维定向化的纤维增强水泥基复合材料一层一层地浇筑至墩柱塑性铰区模板内，预留出部分钢筋骨架作为铰区接头钢筋，在铰区接头钢筋安装灌浆套筒，养护后即可获得预制墩柱塑性铰区；

将混凝土墩柱底座与预制墩柱塑性铰区进行装配，使混凝土墩柱底座的接头钢筋套入预制墩柱塑性铰区的灌浆套筒，然后向灌浆套筒内进行灌浆。

9.如权利要求8所述的施工工艺，其特征是，养护时间为3±0.1天。

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