HSP混凝土套筒与FRP筋联合加固抗震不足RC桥墩的抗震性能提升研究

为解决高烈度地震区既有RC桥墩抗震性能不足的问题，研究人员采用高强性能混凝土（HSPC）套筒与纤维增强聚合物（FRP）筋联合加固技术，通过1:4缩尺模型拟静力试验和SeismoStruct有限元模拟，证实该技术可使损伤桥墩强度恢复至原设计122%、刚度提升52%，为既有交通基础设施抗震延寿提供创新解决方案。

　　

全球范围内大量建于现代抗震规范出台前的桥梁正面临严峻挑战。2023年土耳其地震中，约15%的桥梁因墩柱抗震能力不足导致垮塌，暴露出传统加固技术存在施工周期长、截面增大显著、CFRP（碳纤维增强复合材料）耐候性差等缺陷。巴基斯坦国立科技大学（NUST）结构工程系的研究团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表的研究，创新性地提出将高强性能混凝土（High-Strength Performance Concrete, HSPC）套筒与玻璃纤维增强聚合物（Glass-Fiber Reinforced Polymer, G-FRP）筋组合应用于桥墩塑性铰区的加固方案。

研究团队采用缩尺模型试验与数值模拟相结合的方法，通过Sikadur环氧砂浆修复损伤核心混凝土，在塑性铰区浇筑50mm厚HSPC套筒并植入6根Φ12mm G-FRP纵筋，采用SeismoStruct(2024)建立考虑钢筋滑移的纤维模型。结果显示：加固后桥墩北向承载力提升38%，等效开裂刚度增加116%，能量耗散能力达CFRP包裹试样的3.2倍。有限元分析与试验数据误差小于5%，验证了模型的可靠性。

2. Modelling of original specimens
采用1:4缩尺比复制巴基斯坦典型桥墩，核心混凝土强度20.7MPa，对比螺旋箍筋与预弯金属条两种约束形式，为后续损伤修复建立基准。

3. Testing of original specimens
施加192.4kN轴压荷载后，通过拟静力循环加载使墩底形成完全发展的塑性铰，核心混凝土压溃、纵筋屈曲，残余位移达70mm，符合AASHTO规定的"防倒塌"性能水准。

4. Retrofit design
基于ACI 318计算457mm塑性铰区长度的套筒范围，采用CSiCOL软件优化设计50mm厚HSPC套筒（f_c'=83MPa）与331mm锚固深度的GFRP筋，较传统RC套筒减重40%。

5. Experimental work
创新采用F17.5M7.5L5配比HSPC（硅灰掺量7.5%），28天抗压强度达83MPa。环氧灌浆料Sikadur 42 MP实现100MPa抗压强度，确保新旧混凝土界面协同工作。

6. Experimental test results
滞回曲线显示加固试件在1.5%位移角时北向承载力达60.3kN，较原试件提升35.6%。刚度退化曲线表明2%位移角前等效刚度保持率超80%，优于CFRP包裹试样的45%。

7. Comparison with CFRP experimental data
尽管CFRP试样延性系数（μ=10.4）更高，但HSPC套筒在3%位移角时的累积耗能达286kN·mm，是CFRP的2.4倍，且避免FRP长期脱粘风险。

8. Numerical modelling
纤维模型准确预测塑性铰上移现象，峰值荷载误差仅1.6%，为实际工程参数化设计提供工具。

该研究证实HSPC-FRP组合加固技术可同步解决强度恢复、耐久性提升和施工便捷性三大难题。特别值得注意的是，套筒将损伤集中区转移至未加固段，形成"可控破坏"机制，这与Muhammad Fiaz Tahir团队早先发现的CFRP约束ECC（工程水泥基复合材料）的损伤演化规律形成互补。研究提出的修正Takeda模型为既有桥梁抗震评估建立新标准，巴基斯坦国家公路局已将该技术纳入《Seismic Retrofit Guidelines for Highway Bridges》。未来通过优化套筒厚度与FRP配筋率，有望在提升抗震性能的同时进一步降低工程成本。