预制UHPC构件环氧接缝受剪承载机制研究

为了探究预制UHPC环氧接缝剪切试验的受剪历程与破坏机理,采用ABAQUS建立预制UHPC环氧接缝剪切试件的精细化有限元模型。结合已经开展的试验研究,验证有限元模型的准确性,根据有限元模型分析预制UHPC环氧接缝的UHPC基体、黏结界面、环氧黏结剂的受剪历程和破坏机理。分析结果表明：预制UHPC环氧接缝剪切试验中,环氧黏结剂能够提供部分抗剪承载能力,因此在有限元分析中不可简化为零厚度内聚力单元分析;含阴-阳健齿的界面较于光滑界面抗剪承载力更高,在无约束情况下,健齿界面的极限抗剪强度是光滑界面的1.22倍,约束力作用下是1.19倍,因此更推荐健齿界面作为实际应用;被动约束的光滑、健齿试件的极限承载力分别比无约束试件高11.92%、17.77%;所有试件的破坏形态均主要为UHPC界面黏结处破坏,环氧黏结剂脱黏后仅发生微量损伤,可忽略不计。     

掺钢纤维无配筋UHPC矩形梁抗扭性能试验研究

为研究掺钢纤维无配筋超高性能混凝土(UHPC)矩形梁的抗扭性能,分析钢纤维类型对梁体纯扭受力行为的影响,设计制作4根UHPC矩形梁[包括未掺钢纤维试件1根;掺短圆直、长圆直、端钩钢纤维试件各1根(钢纤维长分别为13,20,13 mm,直径均为0.2 mm,体积掺量均为2%)],并设计1套纯扭加载装置进行试件纯扭试验。基于试验结果,分析各试件在纯扭作用下的扭矩～扭率曲线、开裂和极限扭矩、扭矩～应变曲线、裂缝分布等,并推导UHPC矩形梁的抗扭承载力计算公式,将计算值与试验值进行对比验证。结果表明：掺入钢纤维使UHPC试件由脆性破坏变为延性破坏,且开裂和极限扭矩均有明显提升,最大提升幅度分别为45.6%和100.6%;当体积掺量不变时,钢纤维类型对无配筋UHPC梁开裂扭矩和扭率影响较小,但对极限扭矩和扭率以及裂缝分布有较大影响;掺端钩纤维试件和掺长圆直纤维试件的抗扭承载力和延性均优于掺短圆直纤维试件;掺钢纤维UHPC梁在纯扭作用下的主拉和主压应变显著高于未掺试件,表明钢纤维可以有效“桥联”UHPC基体;试件的抗扭承载力试验值和计算值比值的平均值为0.93,标准差为0.09,说明提出的抗扭承载...     

钢纤维特性对UHPC轴拉性能与弯拉性能的影响及对比研究

为定量地研究钢纤维特征参数对超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）受拉性能的影响规律，现对同一纤维体积掺量（2%）下不同纤维长径比（59~100）、不同纤维类型（端钩型与平直型）及无钢纤维的UHPC试件分别开展了轴拉试验与四点弯拉试验。通过选取拉伸全曲线上的初裂点、峰值点及其他几个特征点，定量地分析了UHPC拉伸过程中的轴拉性能与弯拉性能，并对2种拉伸试验下的初裂强度与峰值强度进行了对比与分析，最后利用ABAQUS软件对2种拉伸全曲线进行了有限元倒推分析。研究结果表明：①随着一定范围内的纤维长径比的增加，与轴拉试验相比，UHPC试件的拉伸强度和拉伸韧性在弯拉试验中提升得更明显；②无论是端钩型还是平直型纤维试件，轴拉应变达到3 000×10^-6时的应力均高于7 MPa，且大弯拉变形状态下的强度均仍为弯拉初裂强度的1.17~2.43倍；③有无钢纤维对UHPC轴拉性能与弯拉性能均具有不同程度的裂后增强效果，其中后者优于前者；④在UHPC结构设计中可用考虑尺寸效应修正后的弯拉初裂强度来估算轴拉初裂强度，且扣除纤维取向的影响后，基于ABAQUS有限元软件倒推输入的三折线轴拉本构与实测的轴拉本构基本相符。     

预制节段RPC梁干接缝直剪性能试验研究

为了探索预制节段RPC梁干接缝在荷载作用下的直剪性能,制作了20个RPC推出试件,采用了直剪试验的方法进行研究,分析了钢纤维类型(type-2000,type-2850)、键齿数量(整体式、单键齿、三键齿)、水平正应力(1 MPa,2 MPa)和混凝土强度这4种因素对RPC梁干接缝直剪强度的影响,记录了RPC梁干接缝在直剪荷载作用下的开裂荷载、极限荷载、残余荷载、接缝的竖向相对位移和横向位移等数据,并根据试验数据绘制了荷载-位移曲线,观测了RPC梁干接缝的裂缝开裂形态和破坏模式。此外,测试了RPC材料的弹性模量、泊松比等力学性能。试验结果表明:预制节段RPC梁干接缝的开裂荷载约为极限荷载的42.6%～70.6%。水平正应力对各种类型接缝的直剪承载力均有明显的提高,其中,对三键齿接缝的提高最大。随着混凝土强度的增大,预制节段梁干接缝的直剪强度呈显著提高的趋势,在水平正应力为2 MPa的情况下,RPC单键齿干接缝的直剪强度是普通混凝土单键齿干接缝的直剪强度的2.38倍;RPC三键齿干接缝的直剪强度是普通混凝土三键齿干接缝直剪强度的3.17倍。RPC三键齿干接缝不会同时发生破坏,而是具有明显的顺序破坏现象。钢纤维对预制节段梁干接缝的抗开裂能力和极限承载力有较大的提升作用,但钢纤维类型对RPC干接缝的直剪强度的提升不大。     

预制节段钢纤维混凝土梁干接缝抗剪性能试验

预制节段混凝土梁的干接缝具有不连续性,是薄弱环节和重要部位,在设计和施工期间需要得到更多的重视。以接缝类型（整体式接缝和单键齿干接缝）、混凝土类型（C60混凝土和CF60钢纤维混凝土）、钢纤维掺量（40,60,80 kg·m^-3）和水平正应力（0.5,1.0,2.0 MPa）作为试验参数,对18个C60混凝土和CF60钢纤维混凝土试件进行直剪性能试验,记录试件开裂载荷、极限载荷和残余载荷,观察试件裂缝形态和破坏模式,研究规范化剪应力-垂直位移曲线以及载荷-水平位移关系,并将极限抗剪强度试验值与AASHTO 2003规范和其他设计公式计算值进行比较。应用有限元分析软件ABAQUS对试验进行数值模拟。研究结果表明：极限剪切荷载模拟值与实测值吻合良好,模拟的键齿裂纹开展情况与试验吻合;使用钢纤维混凝土可提高整体试件和单键齿接缝的抗裂性、抗剪强度、残余载荷和规范化极限剪应力;钢纤维可以改善整体式和单键齿试件的变形能力,并且随着钢纤维掺量的增加,单键齿试件的开裂荷载、极限荷载和残余荷载也随之增大;AASHTO 2003规范和其他设计公式都低估了C60混凝土和CF60钢纤维混凝土单键齿干接缝试件的抗剪能力,公式偏安全,其中Alcalde公式预测值更吻合,Rombach公式预测最保守。     

钢纤维特性对无配筋UHPC矩形梁抗扭性能的影响

钢纤维能明显提升超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)的抗拉强度与韧性，对UHPC构件的扭转行为有显著影响。为深入研究钢纤维特性对UHPC矩形梁抗扭性能的影响规律，以钢纤维体积掺量、类型、尺寸以及混杂效应等为变化参数，完成了8根UHPC矩形梁(含1根未掺钢纤维的对比梁)的纯扭试验；获得了各试件的纯扭破坏形态、扭矩-扭率曲线、扭矩-应变曲线、裂缝形态等关键数据。结果表明：对比梁为脆性破坏，纤维增强UHPC梁的破坏则是有征兆的；纤维增强UHPC梁的开裂和极限扭矩均明显大于对比梁，最大提升幅度分别达79%和159%；增加钢纤维体积掺量能提高开裂和极限扭矩，且斜裂缝数量更多、宽度更小；掺端钩纤维试件的抗扭承载能力和延性均优于掺圆直纤维试件；钢纤维长径比越大，试件的裂缝分布越密集，极限扭率越大，延性越好；2根混掺纤维试件的开裂和极限扭矩均大于单掺试件，正混杂效应明显；钢纤维类型和尺寸均会影响试件的裂后承载能力，掺长径比65的圆直钢纤维在开裂后迅速达到极限状态，极限与开裂扭矩之比为1.07～1.18，长径比为100时对应的比值为1.46，而掺端钩纤维则为1.34，介于两者之间。最后，提出了UHPC矩形梁开裂和极限扭矩计算公式；并对30根UHPC矩形梁进行了验证，结果表明计算公式精度良好。     

预制桥面板UHPC-U形钢筋湿接缝受力性能试验研究

针对目前装配式组合梁桥预制桥面板湿接缝宽度大、现浇量大的劣势,提出宽度较小的UHPC-U形钢筋接缝。为检验该接缝的力学性能,设计制作3个桥面板试件(JF-1,混凝土整板试件;JF-2,30cm宽UHPC-U形钢筋接缝试件;JF-3,60cm宽普通混凝土-U形钢筋接缝试件)进行静力弯曲试验,对比其极限承载力、抗裂性能及抗弯刚度。结果表明:3个试件的抗弯承载力相近,破坏形态均为剪跨区的弯剪破坏,湿接缝不会削弱桥面板的抗弯承载力;UHPC能显著提高湿接缝的抗裂性能;各试件的荷载～位移曲线基本相同,抗弯刚度基本一致,接缝对试件的抗弯刚度影响较小;试件JF-2、JF-3具有同等的抗弯强度及刚度,可以将UHPC作为湿接缝浇筑材料来减小接缝宽度。     

UHPC单轴受压力学性能及本构关系研究

为了解纤维掺量不同的超高性能混凝土(UHPC)试件单轴受压力学性能,考虑PVA纤维、钢纤维及其混杂纤维的掺量及水胶比,制作4组普通混凝土试件和11组UHPC试件进行单轴受压试验,分析各组试件单轴受压破坏形态、韧性等受力特性,并根据试验结果研究UHPC受压本构关系。结果表明:随着纤维掺量的增加,试件的破坏形态由脆性向塑性转变,UHPC试件开裂后韧性增加,相较未掺纤维的韧性指数I_(1.5)、I_(2.0)、I_(3.0)均提高为原来的1.6倍以上;相同纤维掺量下,钢纤维对UHPC的阻裂效果优于PVA纤维。经无量纲化处理的UHPC受压应力～应变曲线具有明显的非弹性段,纤维掺量较高时部分试件的曲线会出现应力台阶;所提出的UHPC开裂变形计算方法可避免常规作图法人为因素的影响,UHPC受压本构模型考虑了纤维种类及掺量,能较好地模拟各纤维掺量下的结构受力。     

UHPC力学性能的多指标分级

材料性能分级是结构设计方法建立的基础性工作。为探究超高性能混凝土（UHPC）合理的材料性能分级方法,以钢纤维掺量为主要参数,开展了3组试验,分别是抗压强度相同的UHPC单轴拉伸（直拉）强度测试、UHPC的抗拉性能（含初裂强度、抗拉强度与峰值拉应变）测试和UHPC劈裂、抗折和直拉强度的对比试验。试验结果表明：UHPC抗拉强度与抗压强度不存在简单的线性对应关系,UHPC性能分级不能仅采用抗压强度这一单一指标,而应同时考虑抗压与抗拉性能;随纤维掺量的增加,UHPC初裂强度、抗拉强度与峰值拉应变的增强幅度并不相同,UHPC抗拉性能分级时,不应只考虑抗拉强度,而应同时考虑3项性能指标;劈裂强度、抗折强度与直拉强度间不存在简单的线性换算关系,抗拉强度应直接采用直拉试验测试。在试验研究的基础上,提出考虑纤维增强作用的UHPC力学性能多指标分级方法。根据大量文献数据的统计分析结果和工程应用情况,建议了UHPC力学性能的具体分级和相应的指标值。     

预制小箱梁近支点湿接缝抗剪机理试验及理论研究

预制小箱梁采用整体抽拉式钢内模形成的近支座处接缝处于剪力最不利位置,界面上纵筋配筋率低、无预应力钢束穿过、锚固端在此形成刚性的剪切键。为揭示此种接缝构造的抗剪承载机制,设计制作9组18个Z形直剪试件进行静载试验,通过分析各试件的破坏形态、荷载-位移曲线及抗剪承载力,研究新老混凝土结合面单独加入界面钢筋、刚性剪切键以及将界面钢筋和刚性剪切键组合在一起(简称为组合试件)对结合面剪切性能的影响。研究结果表明：界面钢筋能有效提高结合面的抗剪承载力,界面钢筋试件的抗剪承载力为基本试件的1.74～2.67倍,构件抗剪承载力与界面配筋率有较好的线性关系;界面钢筋的承载机理符合摩擦抗剪理论,试件沿平行结合面约40°方向错动;刚性剪切键试件的荷载-位移曲线经历了先下降后上升的过程,刚性剪切键在结合面处起销栓作用,破坏模式为销栓抗剪引起的混凝土破坏;组合试件的抗剪承载力为基本试件的3.23～3.48倍,其中界面钢筋提供的抗剪能力占构件平均抗剪承载力的48.6%～52.2%,刚性剪切键提供的抗剪能力占构件平均抗剪承载力的20.2%～24.6%;将刚性剪切键受剪导致混凝土破坏的抗剪承载力表达为基材混凝土强度、...     

空心板桥新型粗骨料UHPC铰缝抗剪性能试验

为研究空心板桥新型粗骨料超高性能混凝土(UHPC)铰缝的抗剪性能,对14个铰缝试件进行了静力抗剪试验,试验参数包括铰缝混凝土材料类型、界面处理方式、抗剪钢筋构造形式、抗剪钢筋强度等级和配筋率。分析了试件的裂缝发展过程和分布规律、破坏模式以及各试验参数对铰缝抗剪性能的影响;同时,基于铰缝典型的荷载-位移曲线分析了铰缝的抗剪机理。试验结果表明：铰缝的裂缝宽度从下至上呈现逐渐减小的规律,由于传统配筋方式上部抗剪钢筋的位置靠近顶部,导致上部抗剪钢筋在铰缝抗剪承载力极限状态时尚未屈服,对抗剪承载力的贡献小。试件破坏模式分为2种：传统铰缝的界面剪切破坏;UHPC铰缝的预制混凝土块剪切破坏。UHPC材料、界面预留槽处理方式、抗剪钢筋新配筋方式以及提高抗剪钢筋的强度等级和配筋率,均能不同程度地提升铰缝的抗剪性能。与传统铰缝相比,新型粗骨料UHPC铰缝的开裂荷载、抗剪承载力和名义抗剪刚度提升幅度分别可达42.8%、185%和218.3%。当达到抗剪承载力极限状态时,UHPC铰缝主要依靠抗剪钢筋屈服提供的剪切摩擦抗力以及预制混凝土块剪断提供的剪切抗力来抵抗外荷载。提出了UHPC铰缝开裂荷载及抗剪承载力计算公式。计算结果表明：开裂荷载、抗剪承载力试验值与计算值比值的均值分别为1.47、1.19,变异系数分别为0.05、0.12,所提出的计算公式可以较精确和稳定地预测UHPC铰缝的开裂荷载及抗剪承载力。     

不同配箍率和钢纤维掺量UHPC柱抗震性能试验

为明确超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）柱中配箍率和钢纤维掺量对抗震性能的影响,对不同配箍率（0%、0.25%和0.5%）与钢纤维体积掺量（0%、1%和2%）的5根超高性能混凝土足尺柱试件进行了抗震性能试验研究,分析了配箍率和钢纤维掺量对超高性能混凝土柱耗能能力、自复位能力、强度退化性能、刚度退化性能以及弯矩曲率关系的影响规律。基于对超高性能混凝土柱构件性能、箍筋应变以及等效侧向约束力的分析,提出钢纤维体积掺量与配箍率的等效计算公式。研究结果表明：①配箍率对正截面破坏超高性能混凝土柱的延性、耗能能力以及自复位能力均有影响,当配箍率从0%提高到0.5%时,柱试件的延性系数提高15%,耗能能力提高55%,自复位能力提高32%;②钢纤维体积掺量对超高性能混凝土柱破坏形态的影响显著,随着钢纤维体积掺量的增加,混凝土的压碎剥落现象得到明显改善,延缓了受压钢筋屈曲现象的发生,从而提高了柱的延性,当钢纤维体积掺量从0%提高到2%时,柱试件的延性系数提高45%,耗能能力提高142%,自复位能力提高42%;③对于正截面破坏的受压构件而言,采用钢纤维代替箍筋具有一定的可行性。对于所研究的超高性能混凝土柱而言,2%的钢纤维体积掺量可等效于0.51%的配箍率。     

钢纤维对超高性能混凝土施工及力学性能的影响研究

为探讨不同钢纤维掺量、长径比及形状对超高性能混凝土的施工及力学性能的影响,首先通过室内试验设计并制备了10组不同钢纤维的超高性能混凝土试件,然后分别对各试件依次进行扩展度、抗压强度及抗折强度测试,得出以下结论:①随着钢纤维掺量的增大,超高性能混凝土的扩展度逐渐减小,抗压强度则逐渐增大,而抗折强度呈先增后减变化;②随着长径比的增大,超高性能混凝土的扩张度逐渐减小,抗压强度和抗折强度则逐渐增大;③钢纤维形状对超高性能混凝土的扩展度、抗折强度和抗折强度均有一定的影响。因此,在工程应用中需根据实际施工需求选择合适的钢纤维掺量、长径比及钢纤维形状。     

UHPC梁受剪性能试验与抗剪承载力计算方法

为研究超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）薄腹梁受剪性能和抗剪承载力计算方法，设计制作11片模型梁开展荷载试验，试验参数包括纤维率、纤维种类、配箍率、剪跨比和混凝土强度。分析了试验梁破坏形态、裂缝开展过程和主要因素对梁体受力响应影响规律。试验结果表明：UHPC梁的受力过程分为弯曲开裂前弹性阶段、"桥联作用"失效前和"桥联作用"失效后3个阶段。UHPC梁剪切破坏具备一定延性且有明显征兆，为半延性-半脆性破坏。由于纤维"桥联作用"，UHPC梁剪切开裂后呈多条剪切裂缝同时开展现象，破坏过程伴随着纤维持续从基体里拔出的"滋滋声"。此外，配置适量箍筋可使梁体破坏模式从脆性剪切破坏向更具延性的弯曲破坏转变。基于Rankine破坏准则，推导出剪压区混凝土简化强度准则；考虑T形截面翼缘的影响，提出腹板抗剪有效宽度计算方法；通过极限平衡法，得到考虑翼缘影响的混凝土抗剪贡献计算式。基于分项叠加思想，建立考虑混凝土、箍筋和纤维抗剪贡献的UHPC梁抗剪承载力理论计算式。该公式形式简单，物理意义明确，可以考虑纤维率、剪跨比和梁体尺寸等影响因素。用试验结果对提出的计算式进行验证，得到抗剪承载力理论计算值和试验值比值均值为0.94，标准差为0.17，计算结果表明提出的计算式可以较好地预测UHPC梁的抗剪承载力。     

配筋UHPC矩形梁抗扭承载性能试验与计算方法

针对配筋超高性能混凝土（UHPC）构件的抗扭性能研究严重不足的状况，进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态，获得裂缝开展及分布情况、失效模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-UHPC应变曲线、扭矩-钢筋应变曲线、开裂扭矩及极限扭矩等数据，分析不同参数对其扭转性能的影响规律及其主要机理。研究结果表明：扭矩不大于无筋UHPC试件极限扭矩时，配筋构件抗扭刚度小于无筋构件；配筋及无筋试件的纯扭破坏均表现为多条主裂缝贯通，且裂缝呈空间螺旋状分布；无配筋试件形成少量斜裂缝，极限扭率较小，破坏过程迅速；配筋试件形成细且密的斜裂缝、极限扭率较大、延性更好；根据实测的极限扭矩扭率增幅情况，以及纵、箍筋屈服情况，受扭的UHPC配筋试件可分为少筋Ⅰ类构件（含无筋构件）、少筋Ⅱ类构件、适筋构件、部分超筋构件、超筋构件；钢纤维改善了UHPC抗拉特征，使得主裂缝开裂角度（裂缝与试件轴线的夹角）增加；钢纤维掺量由2.5%增加到3.5%，试件开裂扭矩和极限扭矩分别提高了23.2%和20.9%。在试验的基础上，根据扭转试件即将开裂时实测的拉压应力状态以及二维应力状态下的强度准则，得到UHPC构件开裂扭矩系数值；最后，根据试验结果得到了UHPC极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。     

采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装受力性能研究

为解决现有钢桥面铺装因大面积现浇超高性能混凝土(UHPC)产生收缩开裂,需密集配筋,施工现场需要大量蒸养设备等问题,提出了一种采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装。通过钢-预制UHPC板界面、钢-现浇UHPC板界面和预制-现浇UHPC界面局部模型试验,揭示了采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装各关键界面黏结性能;通过节段足尺模型试验与有限元分析,明确了车辆荷载下采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装的荷载效应。研究结果表明：钢-预制UHPC板界面受拉和受剪破坏均发生于粘胶层与预制UHPC板结合面,法向抗拉和切向抗剪承载力可保守地取5.2 MPa和8.7 MPa;栓钉间距在150~320 mm之间时,栓钉加密对钢-现浇UHPC板界面抗剪承载力影响较小,可根据中国规范进行现浇UHPC板中栓钉承载力的计算,抗剪刚度可保守的取110.0 kN·mm^-1;界面凿毛处理和湿接缝采用蒸汽养护,可使预制-现浇UHPC接缝的抗剪强度分别提升23%和20%,预制-现浇UHPC接缝抗剪强度可保守地取2.4 MPa;在3倍车辆设计荷载作用下,UHPC板以及钢-UHPC板界面的应力均小于容许应力。提出的采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装方案可行。     

UHPC中钢纤维的应用研究进展

钢纤维是超高性能混凝土（UHPC）的主要增强纤维，其在提升UHPC力学性能方面较其他纤维更好。为进一步促进钢纤维对UHPC性能的优化，加速UHPC在工程领域的推广和应用，从钢纤维的取向与分布、形状特征、掺量、改性及与其他纤维的混杂等方面出发，对UHPC中钢纤维研究的一些重要成果进行介绍和评述。结果表明：①关于钢纤维顺向及乱向分布下的力学模型、纤维取向的无损检测技术及其流变控制技术有待进一步研究；②关于钢纤维形状-加载速率对基体力学性能的耦合作用、UHPC中不同掺量骨料及其粒径与钢纤维长径比之间的匹配关系及一定纤维掺量和性能前提下，纤维长径比对该性能提升的临界点等方面还有待进一步研究；③关于纤维改性过程中的成本、改性程度控制阈值及其可能带来的副作用还有待于进一步探索；④发展有效、合理的数值方法来预测钢纤维UHPC的断裂行为等仍处于探索阶段，具有较高的研究价值；⑤钢纤维的研究主要注重于单一因素对不同性能的影响，建议按UHPC工程实际情况、性能需求、现场环境及成本划分权重，开展基于权重的纤维特性及掺量的研究；⑥关于钢-合成纤维混杂后其协同作用的定量描述、高强基体与柔性纤维的匹配问题以及基于多种不同尺度和不同性能耦合的混杂纤维组合的研究具有良好的研究价值。