田 耕

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730030）

随着社会经济的发展和人民物质生活的提高，对基础设施的建设提出了新的要求，许多既有结构已无法满足现代生产和生活的需求，进而使得钢筋混凝土结构发生承载能力不足、变形过大等问题[1]。因此，对无法满足现代运营需求的基础设施进行加固和修缮已成为当下研究的重点[2]。对既有基础设施的加固和修缮，不仅可以减少社会资源的浪费，而且还能对一些具有重要历史意义的建筑结构进行保护。目前最常见的加固方法主要包括[3]：加大截面法、体外预应力法和粘贴FRP 等方法，但这些方法均存在一定的局限和缺陷，如加大截面法会增加过多的自重。

超高性能混凝土 (Ultra High Performance Concrete,简称UHPC) 是指抗压强度大于120MPa，抗拉强度大于5MPa 的一种水泥基复合材料[4]。UHPC 因具有较高的强度、较高的韧性和良好的耐久性能，已被用来作为改善钢筋混凝土结构在使用阶段性能和提高承载能力的一种有效而简单的加固材料。与增大截面法类似，利用UHPC 对混凝土结构进行加固具有养护时间短、施工方便、强度提升速度快等优点。目前已有大量研究者利用UHPC对钢筋混凝土梁进行了加固，并对其加固效果进行了大量研究。Genedy[5]和Katrin[6]等首先利用UHPC材料对T 型梁进行了加固，研究结果表明，与加固前相比，Katrin 加固后混凝土T 型梁承受荷载和抵抗变形的能力大大增强。Prem[7]等人利用UHPC 对破坏后的混凝土量进行了加固，发现加固后梁的受弯承载能力和延性都较未加固前有了很大的改善。Lampropoulos[8]等利用试验和数值模拟的方法对利用UHPC 对加固前后混凝土梁的承载能力和变形能力进行了分析与研究，研究结果表明，利用有限元模型可以很好模拟UHPC 对混凝土梁的加固过程。除了上述研究外，还有大量科研人员对UHPC加固其他混凝土构件进行了大量研究[9-11]。

1 方案设计

为了对UHPC 加固钢筋混凝土矩形梁抗弯承载能力进行定量描述，选择以某一长度5m、宽度0.15m、高度0.3m 的普通钢筋混凝土矩形梁为例，截面形式和配筋如图1 所示。混凝土等级采用C30，弹性模型采用E0=3.0×104MPa，泊松比为0.2。钢筋采用HRB400，弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.3。

图1 未加固梁截面示意图

以图1 所示的普通钢筋混凝土矩形截面梁为加固对象。在原有结构几何尺寸保持不变的情况下，通过在矩形梁下缘后浇筑UHPC 加固层，UHPC 加固层厚度每组各不相同，试件形状如图2 所示。具体参数见表1。

表1 UHPC 加固梁试件参数

图2 加固梁截面示意图

2 有限元模型的建立

以图1 所示的矩形混凝土截面梁为例，利用大型有限元分析软件ANSYS 建立了相应的有限元分析模型。模型采用8 节点六面体单元划分网格，混凝土单元采用solid45 单元，钢筋采用link8 单元，网格划分后模型结点总数为5085 个，单元总数为5296 个。建立的有限元模型如图3 所示。模型中各种材料的应力应变关系如图4 所示。其中钢筋采用曲线+水平线变化的应力应变曲线，钢筋和UHPC 采用直线+水平线的应力应变曲线。

图3 有限元模型

图4 模型中各材料应力应变关系曲线

3 结果分析

为了研究不同UHPC 厚度对普通钢筋混凝土梁加固前后延兴和承载能力方面的影响，在上述不同有限元模型的基础上，分别研究了在跨中承受5kN 的集中力时，采用不同厚度的UHPC 材料加固后的梁的位移、应力和钢筋轴力沿梁纵向的变化。

3.1 位移的变化

图5 为集中荷载作用下不同UHPC 加固层厚度下各组试件位移的变化云图。从图中可以看出，随着UHPC 加固层厚度的增加，简支梁跨中最大位移逐渐减小，与未浇筑UHPC 加固层的普通混凝土梁相比，当UHPC 加固层厚度从0 分别增加至20mm、40mm 和60mm 时，简支梁跨中最大挠度分别减小了0.69 倍、0.55 倍和0.45 倍。

图5 不同UHPC 厚度下结构位移云图的变化

为了定量描述UHPC 加固层厚度的变化与简支梁跨中位移之间的关系，图6 给出了不同UHPC加固层厚度下试件各截面处挠度沿梁纵向的变化。

图6 不同UHPC 加固层厚度下试件各截面挠度沿梁纵向的变化

从图6 中可以看出，在集中荷载作用下，简支梁各截面位移沿梁纵向的变化关于跨中截面对称，在跨中截面桥梁位移达到最大。从图中变化曲线可以看出，加固后简支梁跨中位移较加固前有了明显改善，醉着UHPC 加固层厚度的增加，跨中挠度逐渐减小，且减小的速率随厚度的增加而减小。

3.2 应力的变化

图7 为集中荷载作用下不同UHPC 加固层厚度下各组试件梁底截面应力的变化云图。从图中可以看出，在集中荷载作用下，各组试件跨中截面梁底均出现了较大的拉应力，从图中数值结果可知，随着UHPC 加固层厚度的增加，截面拉、压应力均呈现出先增加后减小的变化趋势，因此为了便于进一步分析，对图7 中的结果进行了量化，给出了不同UHPC 加固层厚度下试件各截面梁底拉应力沿梁纵向的变化。结果如图8 所示。

图7 不同UHPC 厚度下结构应力云图的变化

图8 不同UHPC 加固层厚度下试件各截面梁底拉应力沿梁纵向的变化

从图8 可以看出，各试件梁底最大拉应力随UHPC 加固层厚度的变化与应力云图的结果一致，在集中荷载作用下，UHPC 加固层厚度为20mm 时，梁体跨中截面梁底拉应力最大。随着UHPC 加固层厚度的增加，截面最大拉应力呈现出先增加后减小的变化趋势。与未浇筑UHPC 加固层的普通混凝土梁相比，当UHPC 加固层厚度从0mm 分别增加至20mm、40mm 和60mm 时，简支梁跨中最大拉应力分别增加了2.01 倍、1.44 倍和1.18 倍。

3.3 钢筋应力的变化

图9 为集中荷载作用下不同UHPC 加固层厚度下各组试件钢筋轴力的变化云图。从图中可以看出，在集中荷载作用下，跨中截面钢筋轴力最大，在梁底承受拉应力，梁顶承受压应力，两者之间的偏差随着UHPC 加固层厚度的增加而逐渐增大。对于与未浇筑UHPC 加固层的普通混凝土梁而言，在集中荷载作用下，钢筋最大拉亚应力比0.91，是UHPC 加固层厚度从0mm 分别增加至20mm、40mm 和60mm 时钢筋最大拉压应力比的0.78 倍、0.53 倍和0.21 倍。

图9 不同UHPC 厚度下结构钢筋应力云图的变化

图10 为不同UHPC 加固层厚度下试件各截面梁底钢筋应力沿梁纵向的变化。从图中可以看出，随着UHPC 层厚度的而增加，梁底钢筋最大轴力逐渐减小，且随着UHPC 加固层厚度的增加，钢筋内力减小的速率逐渐减小。在靠近跨中截面钢筋承受拉应力，在靠近梁端部位置，钢筋承受压应力。与未浇筑UHPC 加固层的普通混凝土梁相比，当UHPC加固层厚度从0 分别增加至20mm、40mm 和60mm时，钢筋最大拉应力分别减小了0.43 倍、0.19 倍和0.07 倍。

图10 不同UHPC 加固层厚度下试件各截面钢筋应力沿梁纵向的变化

4 结论

（1）UHPC 是一种高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料，用UHPC 对既有无法满足承载能力要求的普通钢筋混凝土梁进行加固，可有效解决混凝土抗拉强度低的缺陷，提高结构的承载能力。

（2）与未浇筑UHPC 加固层的普通混凝土梁相比，当UHPC 加固层厚度从0mm 分别增加至20mm、40mm 和60mm 时，简支梁跨中最大挠度分别减小了0.69 倍、0.55 倍和0.45 倍，跨中最大拉应力分别增加了2.01 倍、1.44 倍和1.18 倍，钢筋最大拉应力分别减小了0.43 倍、0.19 倍和0.07 倍。

(3) 通过与未加固混凝土梁跨中截面最大位移、应力的比较，发现在梁底粘贴UHPC 层可显著降低混凝土内钢筋的受力状态。