袁嘉梁,贾依楠,晏班夫

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

UHPC(超高性能混凝土)是一种基于最大堆积密度理论的新型混凝土，其具有超高抗压、极佳抗拉和良好耐久性能[1-2]。目前，UHPC多用于公路桥梁、海洋工程、结构加固维修等。采用UHPC的结构大多为预制结构，现场通过节点接缝进行预制构件间的连接，但国内外关于UHPC材料湿接缝的试验较少[3]，因此对UHPC湿接缝进行系统的试验研究十分必要。

本文主要对如图1所示矩形UHPC湿接缝进行抗弯试验研究，并与完整梁进行比较，通过分析矩形接缝受力过程、破坏形态及试验结果，确定矩形UHPC湿接缝构造的受力机理及受力性能，并建议了矩形UHPC接缝构造的承载力计算公式。

图1 矩形UHPC湿接缝构造Figure 1 Vertical UHPC wet joint constructions

1 试验设计

1.1 试验梁设计

对提出的矩形UHPC接缝构造进行模型试验，共2个试件，分别为无接缝完整梁、矩形接缝梁，每个试件总长3.2 m，净跨径3 m，梁高30 cm，梁宽15 cm，考虑到试件制作误差和试验时的安全性，梁两端20 cm处加宽至35 cm；预制构件及完整梁UHPC上下均配置3根HRB400C12钢筋，钢筋间距4.5 cm，净保护层厚度2.4 cm，接缝处采用钢筋搭接(不焊接)的形式进行两边预制构件钢筋的连接,参考文献[4],本试验钢筋搭接长度均大于10 d。试件具体尺寸及配筋图如图2、图3。

(a) 无接缝完整梁

(a) 接缝钢筋搭接处横断面 (b) 预制构件及完整梁横断面

1.2 试验梁分组

本次试验共2个试件，一个为完整梁试件，一个为矩形接缝构造梁梁试件。试件分组编号见表1。

表1 试验梁分组编号Table 1 Grouping numbers of specimens序号编号接缝形式备注1O-1无接缝完整梁2O-2矩形接缝搭接钢筋C12

预制构件与矩形接缝材料均为同种UHPC材料，接缝试件分阶段成型。UHPC实测抗压强度、抗折强度、弹性模量见表2。

表2 UHPC材料性能Table 2 UHPC performance混凝土种类立方体抗压强度/MPa棱柱体抗折强度/MPa弹性模量Ec/ (×104 MPa)UHPC139.517.948.1

1.3 试验方案设计

本试验采用两点加载方案，剪跨比大于3，模型均采用简支支撑，为了保证模型水平方向自由移动，在模型的一端和分配梁的一端使用滚轴支撑。梁的纯弯段均为1 m，在梁的纯弯段内3个截面上分别布置测线，在支座位置布置有千分表，沿梁长方向布置有3个百分表以观察梁的挠度变形。试验过程中，应变数据采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3816N静态数据采集仪采集。加载装置为50 t油压千斤顶，荷载由压力传感器测量。裂缝宽度采用智能裂缝宽度观测仪量测，精度为0.01 mm。现场试验装置如图4所示，试验加载方案如图5所示。

图4 实验加载装置Figure 4 Set-up of test model and load

图5 实验加载及量测方案(单位：cm)Figure 5 Loading scheme of test beams(Unit：cm)

1.4 试件制作

接缝梁预制构件与完整梁浇筑后静停2 d，拆模后进行90 ℃蒸汽养护48 h，接缝梁预制构件在接缝接合面处进行简单凿毛后进行对拼并搭接钢筋，随后浇注接缝处UHPC，同预制构件和完整梁UHPC养护一样，接缝处UHPC浇筑后静停2 d，随后拆模并进行90 ℃蒸汽养护48 h，自然降温至常温后进行试验。

2 试验结果及分析

2.1 试件荷载-位移曲线

各试件荷载位移曲线如图6所示，各试件试验值见表3。从图6中可看出各试验梁的加载过程，O-1完整梁与O-2矩形接缝梁有明显区别。

图6 荷载-跨中位移曲线Figure 6 Load-mid-span deflection curves

对于O-1完整梁，其加载过程可分为4个阶段，即弹性阶段、裂缝发展阶段、屈服强化阶段、破坏阶段。在弹性阶段荷载位移曲线呈现直线段，接着进入弹塑性状态，试验梁出现裂缝，刚度发生变化，随着荷载的增加，梁体发生密集开裂，裂缝宽度和长度不断扩展，直至钢筋屈服，结构进入屈服强化阶段，荷载稍有提升，此时梁的刚度有所减少，可听到钢纤维拔出的“咔咔”声，接着迅速进入破坏阶段，此时荷载突然降低，不断发出钢纤维拔出的“咔咔”声，停止加载后任能听到“咔咔”声，且荷载自动降低，继续加载，荷载仍然降低，此时视为结构破坏。

对于O-2矩形接缝梁，其加载过程也可分为弹性阶段、裂缝发展阶段、屈服强化阶段、破坏阶段4个阶段。在弹性阶段荷载位移曲线呈现直线段，接着进入裂缝发展阶段，此时试验梁接缝接合面处出现裂缝，刚度稍有改变，随着荷载的增加，裂缝宽度和长度不断扩展，直至钢筋屈服，结构进入屈服强化阶段，此时梁的刚度已经大幅折减，可观察到截面受压区不断提升，当荷载提升到一定程度后，荷载突然降低，试件上缘可见轻微压碎，下搭接钢筋部分有横向裂缝，继续加载，上缘压碎面积增大，荷载仍然降低，此时视为结构破坏。

表3 试件试验值Table 3 Result of performance test试件编号破坏荷载/kN初裂荷载/kN屈服荷载/kNF0-iF0-1O-118053174.91O-2879.9610.48

2.2 试件名义应力-裂缝宽度曲线

试件名义应力-裂缝宽度曲线见图7。

图7中名义应力代表实际跨中弯矩值与试件截面计算的名义应力值，裂缝宽度指梁体最大裂缝宽度。

图7 试件名义应力-裂缝宽度曲线Figure 7 Nominal stress-crack width curves

从图7中可见，O-1与O-2试件名义应力-裂缝宽度曲线均大致呈线性关系。O-1完整梁开裂荷载与各裂缝宽度对应名义应力远高于O-2矩形接缝梁。

2.3 试件破坏形态

O-1号试验构件最终破坏形态如图8(a)所示，可以看到O-1试件破坏时有一条明显的主裂缝和多条密集次裂缝，初裂缝与主裂缝为不同裂缝，构件上缘未被压碎，但下部钢筋已经屈服，且继续加载，荷载不增反降，可观察到构件主裂缝下缘钢纤维被拔出。

O-2号试件最终破坏形态如图8(b)所示，其破坏形态类似普通混凝土破坏，可以看到初始裂缝在接缝接合面处，破坏时初始裂缝由下往上沿矩形接合面发展为主裂缝，构件次裂缝少且细短。破坏时，构件上缘有轻微压碎现象，下部钢筋屈服，主裂缝在下部钢筋搭接位置发展有横向裂缝。

(a) O-1梁最终破坏形态

2.4 试验结果分析

综合上述试验结果，可做出以下分析。

a.从试验综合结果看，O-1号完整梁在承载力、抗裂性、刚度等受弯性能远优于O-2矩形接缝梁。

b.O-1完整梁与O-2矩形接缝梁破坏形态及裂缝发展说明,对于UHPC结构的受力，对于完整结构，UHPC本身的抗拉强度作用不能忽略，但UHPC接缝由于钢纤维的不连续，使接缝接合面处的UHPC抗拉强度极低，可忽略不计。

3 矩形接缝承载力

3.1 承载力计算思路

试验现象和结果表明，矩形接缝接合面处由于钢纤维的不连续，使接缝接合面处UHPC抗拉强度极低，忽略不计，且矩形接缝初始裂缝发生在接合面下部，并沿接合面发展成主裂缝，因此，计算承载力时，应选取接缝最弱截面(即初始裂缝处截面)，并忽略该截面处接合面部分的UHPC抗拉强度进行接缝的承载力计算，即矩形接缝计算承载力时不考虑UHPC抗拉作用。

由于UHPC材料有超高的抗压强度，因此计算时偏安全忽略截面上缘钢筋。

3.2 基本假定

根据试验结果，采用了如下的基本假定。

a.UHPC接缝截面的平均应变仍满足平截面假定。

b.剪力作用对构件的轴向和弯曲变形很小，可忽略不计。

c.忽略钢筋和混凝土之间的相对滑移对截面的承载力影响。

3.3 材料特性

a.UHPC轴压应力-应变近似关系：

σc=Ecmεc,0<εc<εc 0

(1)

σc=fc,εc 0<εc<εcu

(2)

其中,εc与σc为UHPC压应变及对应的压应变；fc与εc 0为UHPC抗压强度及对应的压应变；εcu为UHPC极限压应变；Ecm代表UHPC弹性模量。

b.UHPC轴拉应力-应变近似关系：

σt=Ecmεt，0<εt<εt0

(3)

σt=ft，εt 0<εt<εtu

(4)

其中,εt与σt为UHPC拉应变及对应的拉应变；ft与εt 0为UHPC抗拉强度及对应的拉应变；εtu为UHPC极限拉应变。

c.钢筋应力-应变近似关系：

σs=Es≤fy

(5)

其中,σs代表钢筋应力；Es代表钢筋弹性模量；fy代表钢筋屈服应力。

3.4 变形条件

UHPC矩形及菱形构造接缝截面应变及应力分布见图9。

图9 截面应变及应力计算示意图Figure 9 Sketch map of strain and stress calculation

为了简化计算，将梁截面上的压应力曲线和拉应力曲线均替换为等效的矩形应力图。

图9中，xn代表受压区高度;x代表等效受压区高度；α代表压应力等效矩形系数；as代表下缘钢筋中心到截面下缘距离；h代表截面高度；b代表截面宽度；h0代表截面有效高度；As代表下缘钢筋面积。

3.5 承载力计算公式

本文承载力计算中简化计算将梁截面上的压应力曲线替换为等效的矩形应力图，参考文献[5-7],推导等效矩形应力系数，得到压应力等效矩形应力系数α=0.964～0.912。对于本文，等效矩形系数α=0.92。

3.5.1矩形接缝承载力计算公式

根据图9(a)的应力-应变示意图，由平衡条件可得到矩形接缝承载力计算公式:

3.6 试验结果与公式计算值对比

采用上述公式计算试验矩形接缝梁与菱形接缝梁承载力，公式各参数取试验实测值，fc取实测值139.5 MPa，ft取实测值7 MPa，fy取实测值480 MPa；计算值与试验值对比见表4。

表4 试验值与计算值对比Table 4 Comparison of test and calculation接缝形态计算值/(kN·m)试验值/(kN·m)计算值试验值矩形86.5870.99

表4可见，本文承载力计算公式计算值与试验值吻合较好。

4 结论

通过对矩形接缝构造进行试验研究，并与完整梁进行对比，分析得出以下结论：

a.矩形接缝构造综合受弯性能远低于完整梁；

b.矩形接缝接合面由于钢纤维的不连续，其抗拉强度极低，可忽略不计；

c.建议采用式(6)、式(7)联立计算得到矩形接缝承载力。