超高性能混凝土（UHPC）加固受损钢筋混凝土桥面的受弯性能及承载力预测

蒋维

摘 要：对在现场破损桥面进行加固的基础上，采用高温蒸汽和常温养护的方法，对钢筋超高性能混凝土（UHPC）层加固成鳞破损桥面进行了抗弯试验。研究了正弯矩和负弯矩作用下RC-UHPC复合材料的抗裂性能、极限承载力、变形特征和破坏模式，结果表明：在受拉面设置UHPC后，复合材料的抗裂性能和极限承载力分别提高了2.5倍和2倍左右;而受压面超高强混凝土板的抗裂性能没有变化，极限承载力比完整混凝土板高30%。同时，钢筋混凝土板中钢筋的刚度也随拉应力的增大而明显增大，加固后各板的刚度均减小;超高延性和超高强混凝土的应变硬化特性抑制延缓了混凝土板中裂纹的扩展。依试验结果和破坏模式，建立了UHPC-RC板的开裂和极限抗弯承载力的解析表达式，对方程的适用性进行了验证，在某斜拉桥主梁破损桥面加固设计中得到了有效的应用。

关键词：超高性能混凝土;受损钢筋混凝土（RC）;桥面;加强;弯曲性能

中图分类号：U444;U445.7+2 文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）02-0006-06

超高性能混凝土（UHPC）又称活性粉末混凝土（RPC），是一种新型的胶凝材料，具有超高的抗压和抗拉强度，其在热养护后表现出优异的延性、低渗透性和低收缩徐变。在这种优良的力学和物理性能的激励下，UHPC有望用于修复和改造因缺乏维护和环境条件下材料变化而导致的钢筋混凝土结构。采用超高强混凝土对受损的钢筋混凝土结构进行加固，不仅明显提高了结构的力学性能，而且保证了结构的耐久性。

1 实验方案

试验研究包括材料强度试验、预加载试验和抗折强度试验，获得了UHPC-RC组合板的抗压强度、杨氏模量和抗折强度，为建立UHPC-RC组合板的分析计算模型提供了依据。在预加载试验中，钢筋混凝土板受到一定程度的破坏。在抗弯强度试验中，分别在受拉侧和受压侧用UHPC加铺层加固钢筋混凝土板，然后对其进行强度和性能贡献的试验。

1.1 材料性能

试验中普通混凝土（C55级）的配合比按JTG D62—2004进行拌和，与实际桥梁的配合比相同。UHPC材料由水泥、石英粉、粉煤灰、硅灰、石英砂、增塑剂和钢纤维组成。以2∶1.5的比例使用两种不同尺寸的钢纤维的混合物，即钩形纤维和直形纤维;总比率为3.5%。钩端钢纤维直径0.2 mm，长13 mm，抗拉强度2 850 MPa;直端钢纤维长度8 mm，直径0.12 mm，抗拉强度2 850 MPa。两种钢纤维的弹性模量均为200 GPa。此外，还使用了市售的高效减水剂聚羧酸盐，其体积比为1.5%，减水率超过30%。

1.2 试样和制备

图1显示了具有主要参数的试样。根据该桥箱梁顶板加固实践中的有关参数和桥面轮载的摊铺宽度，制备了4块钢筋混凝土板，其中一块为常温养护的无筋板;其余3种模型均为UHPC层加固的复合板。钢筋混凝土板的横截面为矩形，高28 cm，宽200 cm，总长320 cm，用两层钢筋网加固，钢筋网间距为150 mm，钢筋直径分别为16、20 mm。深度为50 mm的UHPC用一层间距为37.5 mm的钢筋网和直径为10 mm的钢筋加固。在UHPC层和钢筋混凝土板之间使用高度为150 mm的螺柱作为连接件，高度为115 mm的螺柱嵌入受损钢筋混凝土板中，中心间距为300 mm。为了研究分别在受拉区和受压区采用UHPC层加固的桥面的弯曲性能，进行了负弯矩和正弯矩的荷载模式。

图2所示为UHPC层加固受损钢筋混凝土加固板的制作程序，与现场桥梁施工相同。

（1）在实验室温度下浇筑钢筋混凝土板，并用喷水养护28 d（图2（a）示）;

（2）为了充分模拟实际桥梁上出现的损坏情况，对3钢筋混凝土板进行预压，以产生与横向成45°角的斜裂缝，采用弯扭加载法，加载点位于对角线中间，支架布置如图2（b）所示。采用高温蒸汽（H-UC-1，H-UC-2）固化UHPC的钢筋混凝土板，在266 kN的最高外加荷载下，形成了两次反向加载的钢筋混凝土0.4 mm裂缝宽度，中间位移为12.9 mm，卸载后最大宽度为0.18 mm;对于常温（N-UC）固化的UHPC板，在最大载荷为145 kN、最大位移为5.7 mm的中部和卸载后，分别获得0.2 mm和0.08 mm的最大裂缝宽度（图2（b））;

（3）卸荷后，在宽度大于0.1 mm的裂缝内注入环氧树脂，宽度小于0.1 mm的裂缝用水泥浆封闭。然后放置试样板5 d，直到环氧树脂硬化（图2（c）示）;

（4）基板处理：在UHPC强化前，将2种不同的粘合程序结合起来，包括粗化基板（宏观纹理深度约为1.0～4.0 mm）和种植螺柱。在UHPC周围浇筑之前，清除接触面上的任何碎屑，喷水4 h以上，以使混凝土基底充分湿润，从而将UHPC中因不饱和正常混凝土桥面吸收而造成的水分损失降至最低（图2（d）;

（5）浇筑UHPC覆盖层：基底处理后，在钢筋混凝土板顶部预埋钢筋网，然后在其周围浇筑UHPC。用塑料薄膜覆盖UHPC表面，定期喷水48 h后脱模。之后，3块板中的一块在实验室常温下继续养护，并定期喷水养护28 d;另外2块加固板在60℃的温度下用蒸汽养护72 h。最后，将它们全部放置在实验室环境中，直到加载（图2（e）示）。

1.3 实验装置和程序

所有板件均由铰链和滚轮简单支撑，并承受3点弯曲。板的净跨为300 cm，并在跨中承载集中荷载，采用钢制分布梁将荷载沿横向分布到板上。圖3显示了准备好测试仪器的平板。在试验过程中监测了混凝土板的性能，记录了钢筋混凝土和超高强混凝土的荷载、竖向位移、界面滑移位移和应变变化。在初始加载阶段，通过液压千斤顶以0.1 kN/s的恒定加载速率施加荷载，在板接近破坏时，施加0.008 mm/s的偏转速率。用9个千分表监测位移。5个量规位于板的中跨处，用于最大位移。另外4个量规安装在2个支架处，根据施加的荷载计算相反方向的位移。在钢筋混凝土和UHPC层表面以及板跨中纵向钢筋表面安装了应变计，UHPC层顶部安装了引伸计，用于监测开裂后的应变。在使用胶水将量规连接到钢筋之前，表面经过抛光，以便于放置量规。在靠近支架的界面处安装了4个位移计，用于测量UHPC和RC层之间的滑移。gzslib202204012122

2 实验结果与讨论

2.1 故障模式

如图4所示，UHPC（超高性能混凝土）加铺层加固板的破坏模式通常与大多数弯曲破坏类型相似。在负弯矩（NBM）作用下，钢筋混凝土-超高强混凝土组合板（H-UC-1，N-UC）的第一道弯曲裂缝出现在超高强混凝土加铺层附近钢筋混凝土受拉区的跨中，而超高强混凝土加铺层未出现裂缝。随着荷载的增加，钢筋混凝土层中弯曲裂缝的数量随着裂缝宽度和深度的增加而增加。当施加荷载接近最终荷载的20%～25%时，UHPC层顶部出现第1条可见裂缝，宽度为0.04 mm。随着载荷的不断增大，UHPC层中裂纹数量增加，而裂纹宽度发展缓慢。复合板在NBM作用下破坏时，跨中受压区NSC被压碎;在跨中UHPC加铺层顶部发现明显的横向裂缝，H-UC-1和N-UC的最大裂缝宽度分别为0.5 mm和0.55 mm。可以注意到，UHPC层中没有裂纹穿透到钢筋混凝土板，裂纹扩展深度约为2.5 cm（约为UHPC高度的50%）（图4（b）示）。卸载后，UHPC覆盖层顶部的裂缝在一定程度上闭合，最大裂缝宽度约为0.10～0.16 mm（图4（a）示）。在破坏前，NBM加固板的刚度没有明显减弱，UHPC层和RC层之间的滑移不明显，而滑移急剧增加，螺柱在接近破坏点处屈服（图4（b）示）。此外，对于采用高温蒸汽养护的UHPC的H-UC-1板坯，由于液压千斤顶达到最大承载能力（1 250 kN），液压千斤顶施加的荷载被终止。在这种情况下，在1 250 kN的荷载作用下，虽然UHPC层的最大裂缝宽度达到0.5 mm，但钢筋混凝土板底部的NSC并未发生坍塌。此外，在UHPC层和RC层之间观察到的滑移并不突出（图4（c）示），也就是说，H-UC-1板在1 250 kN荷载作用下仍有一定的抗弯承载力。总之，在NBM荷载作用下，加固板在受力过程中，损伤的钢筋混凝土板出现了初始裂缝，然后UHPC层开始开裂，裂缝数量缓慢扩展。破坏时，UHPC层和钢筋混凝土受压区的NSC形成较宽的裂缝。

2.2 荷载-挠度特性

图5显示了加固和未加固试件的荷载-挠度曲线。一般情况下，加固板在弹性阶段的刚度略小于未加固板的刚度，而裂纹萌生后的刚度则相反，特别是在NBM下的加固板，在加载后期刚度的提高更为显著。对于PBM（H-UC-2）下的加固板，在荷载达到200 kN（曲线中的一点）之前，H-UC-2的曲线低于N-RC。这是因为加固前钢筋混凝土板的受拉区已经出现裂缝，导致在相同荷载下，钢筋混凝土板的挠度比未加固的板大。在N-RC和H-UC-2试件都进入裂纹发展阶段的某一点加载后，由于在压缩区域添加UHPC的惯性矩效应增加，随着载荷的增加，H-UC-2表现出更高的刚度，拉伸时NSC中挠度和裂纹的发展都比N-RC慢。当荷载接近677 kN时，即无筋板（N-RC）的破坏荷载，H-UC-2的变形仅为无筋板的35.6%。另外，在B点荷载约为400 kN之前，刚度变化不明显，H-UC-2荷载-挠度曲线中观察到该阶段的线性行为。当荷载达到569 kN（C点）后，跨中钢筋混凝土受拉底部的横向宏观裂缝显著发展，钢筋混凝土层中的受拉钢筋屈服。随着试件刚度的降低，H-UC-2的切向斜率开始发生变化。总体而言，PBM作用下UHPC加固受损钢筋混凝土板，虽然抗裂强度没有提高，但加固板的刚度明显提高，导致刚度线性范围增大。H-UC-1在初始加载阶段刚度较小，变形较大。荷载增加到D点（约250 kN）后，UHPC层顶部出现裂缝，试板进入裂缝发展阶段。开裂后的UHPC具有较高的抗拉强度和延性，具有应变硬化性能和較高的抗弯性能。因此，UHPC加铺层较小的纵向变形有效地抑制了钢筋混凝土板中初始预压裂缝的扩展，H-UC-1的刚度明显高于未加筋板。

2.3 荷载主裂缝宽度曲线

在每个荷载阶段，监测NSC或UHPC在受拉区的主裂缝宽度，并获得板的荷载与主裂缝宽度曲线，如图6所示。总体而言，对于NBM下受拉侧UHPC的加固板（H-UC-1和N-UC），由于超高强混凝土（UHPC）层具有较高的抗拉强度和延性，开裂荷载明显高于未加固板，开裂发展较慢。在PBM（H-UC-2）作用下，预压开裂的NSC位于加固板的受拉区，开裂荷载低于未加固板，而开裂的发展稍有延迟。

从图6可以看出，在PBM（H-UC-2）下，UHPC受压和NSC受拉的加固板的开裂荷载比N-RC小39.4%，裂缝沿预应力混凝土板的原斜裂缝扩展，跨中开裂强度主要取决于水泥浆体或环氧树脂胶的粘接强度，H-UC-2开裂较早，提取了主裂缝宽度为0.1 mm和0.2 mm的荷载数据以及未加固混凝土板的极限荷载结果表明，在上述3种荷载水平下，H-UC-2的主裂缝宽度分别仅为N-RC的90%、50%和27.8%。因此，在裂缝扩展和发展的后期，采用超高强混凝土压边加固明显抑制了钢筋混凝土板裂缝的发展，有效地提高了钢筋混凝土桥面规范中不同裂缝宽度下的承载力。

2.4 载荷应变响应

图7绘制了加固和未加固板中的荷载与纵向拉伸钢应变的关系。应变曲线基于通过试验获得的应变计读数的平均值。在图7中，型号中附加的UHPC和NSC分别表示UHPC层和RC板中的受拉钢筋。例如，N-UC-UHPC和N-UC-NSC分别代表N-UC试件的UHPC层和钢筋混凝土板中的受拉钢筋。

从图7可以看出，负弯矩作用下加固板中UHPC层钢筋的纵向拉伸应变随着荷载的增加经历了3个阶段：（1）在图7中A点之前，弹性阶段的钢筋应变在无开裂的UHPC下呈线性增加;（2）UHPC开裂后，钢的应变增量增加，曲线的切线斜率比NSC中的钢略有减小;（3）当荷载接近极限荷载（B点）时，UHPC加铺层中发现了一些较宽的主裂缝，UHPC中的钢由于承受更大的荷载而屈服。同样，钢筋混凝土板中的受拉钢筋在加固板中表现出与UHPC中的纵向钢筋相似的3个阶段。结果表明，在相同荷载水平下，采用超高强混凝土加固后，加固板钢筋混凝土层的拉应力明显小于未加固板（N-RC），特别是在NBM下的加固板。降低钢筋混凝土板中钢筋的应变可以有效地减小或控制混凝土板的裂缝宽度。因此，从受拉钢筋在钢筋混凝土板中的受拉性能来看，UHPC加固明显提高了混凝土板的抗裂性能。gzslib202204012122

2.5 UHPC-RC界面荷载滑移曲线

加固板的荷载—滑移曲线如图8所示。滑移是指UHPC和钢筋混凝土层之间的界面滑移，用百分表测量，百分表大约设置在靠近板支撑的界面的4个位置。结果表明：当荷载增加到加固板极限荷载的20%～25%（A点）时，初始滑移发生。在AB阶段，随着荷载的增加，所有板的滑移缓慢线性增加，滑移位移相对较小，不超过0.5 mm。当荷载分别接近1 070 kN（极限荷载的83.3%）、734.3 kN（极限荷载的85.4%）和990 kN（极限荷载的73.9%）时，B点处的H-UC-1、H-UC-2和N-UC的板端滑移速度显著增加，而切向坡度呈非线性减小。破坏时，NUC在3.526 mm位移处观察到3块板之间的最大滑移。从荷载-滑移曲线的发展来看，在加固板承受80%极限荷载之前，UHPC-RC界面的滑移呈线性缓慢发展。因此，预计滑移对加固板完整性的影响可以忽略不计。

3 结语

本文对超高性能混凝土（UHPC）加固板的受弯性能进行了试验和分析研究，可以得出如下结论：

（1）UHPC加筋混凝土板的破坏模式与大多数典型的弯曲破坏模式相似。负弯矩作用下加固板发生破坏时，发现在受拉状态下，UHPC加铺层顶面有大量密集分布的裂缝，且主裂缝较宽，未扩展到UHPC的整个深度。另外，NSC在跨中受压区发生挤压，当加固板在正弯矩作用下发生破坏时，观察到贯穿整个截面的混凝土板出现裂缝，UHPC层界面附近出现离散裂缝，UHPC顶面受压而不破碎;

（2）由于超高强混凝土具有较高的抗压、抗拉强度和延性，在负弯矩作用下，超高强混凝土受拉加固板的抗裂能力顯著提高，抗裂荷载比未加固的钢筋混凝土板提高一倍以上。对于正弯矩作用下的加固板，受压超高强混凝土不能提高其抗裂能力，但在加载后期裂缝宽度的发展被推迟;

（3）UHPC加铺层加固后受损钢筋混凝土板的抗弯极限承载力显著提高，负弯矩和正弯矩下加固板的抗弯极限承载力分别提高约2.0～2.5倍和30%;

（4）使用超高强混凝土后，受损钢筋混凝土桥面的刚度显著提高，加固板的线性刚度范围也有所延长，特别是位于桥面受拉面（负弯矩下的加固板）的超高强混凝土层;

（5）钢筋混凝土板的开裂损伤程度对加固板刚度的影响大于养护条件对UHPC加铺层刚度的影响。损伤程度越高，加固板的刚度越低。反之亦然;

（6）UHPC加铺层加固后，混凝土板中钢筋的拉应力得到有效降低，从而减小或控制了裂缝宽度，抑制了裂缝的扩展;

（7）基本上，在80%极限荷载加载前，UHPC与RC的界面滑移呈轻微的线性发展，而在接近极限状态时，滑移开始迅速增加。应注意的是，当加固板发生弯曲破坏时，UHPC-RC界面不会发生剪切破坏。

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