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。     

空心板梁桥超高性能混凝土(UHPC)铰缝弯剪受力性能研究

受普通混凝土(NSC)材料性能限制,空心板梁桥混凝土铰缝病害频发。在铰缝位置应用具有超高力学性能和良好界面黏结性能的超高性能混凝土(UHPC),可使铰缝受力性能得到明显改善,从而减少甚至避免铰缝病害的发生。首先通过数值模拟方法,得到了不同工况下装配式空心板梁桥铰缝截面的最大弯剪比;接着,为研究不同铰缝材料对结构在弯剪耦合作用下的主要开裂形态、承载能力和荷载～挠度响应的影响,对NSC铰缝试验梁(N—N)、UHPC铰缝试验梁(N—U)两组铰缝梁模型开展了三点静力加载弯剪试验;最后通过建立有限元模型,探究了不同弯剪比及铰缝结构形式对铰缝梁结构受力性能的影响规律。试验结果表明,所有铰缝梁均在铰缝与预制构件的交界面处发生初次开裂;与N—N试件相比,N—U试件初裂荷载和极限荷载分别提高了477%和104%,且N—U试件的刚度及抗裂性能均显著强于N—N。数值分析表明,与常规型铰缝相比,采用键齿形、倒T形、工字形铰缝及其组合结构形式的梁的初裂强度显著提高,构造优化的铰缝形式可以更好地确保各梁间的整体性。     

高强钢丝网-UHPC加固损伤RC梁抗剪性能试验研究

为研究高强钢丝网-超高性能混凝土加固损伤钢筋混凝土(RC)梁的抗剪性能,设计并制作了两根有腹筋工字形截面RC梁,其中一根作为对照梁进行一次性破坏加载试验,另一根经损伤加载产生剪切裂缝后对其两侧腹板布置高强钢丝网并浇筑UHPC进行抗剪加固。通过三点弯曲加载试验,研究了高强钢丝网-UHPC加固RC梁的抗裂性能、变形能力和抗剪承载能力,并分析了加固梁的破坏模式和失效原因。研究结果表明：高强钢丝网增韧UHPC加固方法可有效改善RC梁的抗裂性能,加固后梁的抗剪承载力显著提高。     

弯剪扭荷载下配筋UHPC矩形梁的扭转性能与承载力计算

配筋超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)梁在弯剪扭组合荷载作用(复合受扭)下的抗扭性能研究较为匮乏。为此,开展了8根配筋UHPC矩形梁的复合受扭试验,获得了各试件损伤破坏模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-应变曲线及扭矩-裂缝宽度曲线,分析了配筋UHPC矩形梁复合受扭破坏机理,探讨了扭剪比、纵向配筋率对抗扭承载性能和延性的影响。试验结果表明：试件破坏形态为纯扭破坏和非纯扭(扭转、剪扭、弯扭)破坏;相比于纯扭试件,非纯扭试件表面未形成空间螺旋形裂缝,同时其正立面裂缝比背立面数量更多且更宽,非纯扭试件开裂扭矩降低46%～73%,抗扭承载力降低1%～38%,扭转延性系数提高38%～169%。随扭剪比从1增加到3,非纯扭试件抗扭承载力提高1%～21%,扭转延性系数提高24%～88%;随着纵向配筋率从0.78%增加到4.90%,试件抗扭承载力提高12%～27%,非纯扭试件扭转延性系数提高35%～88%,但纯扭试件扭转延性系数下降了31%。配筋UHPC复合受扭梁弯扭相关性符合“三折线”模型,基于弯扭“三折线”模型提出的复合受扭梁抗扭承载力公式计算值与...     

无主筋UHPC预制简支梁桥荷载试验研究

为检验中国首座无主筋工字形UHPC(超高性能混凝土)预制简支梁桥(广州北环高速公路沙贝立交F匝道桥)成桥后的实际承载能力和工作性能,通过静载和动载试验分别测试不同加载条件下主梁跨中截面的应变、挠度及桥梁自振特性,并将试验结果与MIDAS/Civil软件计算结果进行对比,结果表明该桥主梁强度和刚度均满足规范要求,结构具有良好的动力性能,满足使用要求。     

钢筋UHPC矩形截面受弯构件的钢筋应力简化计算

为建立钢筋UHPC矩形截面受弯构件的钢筋应力简化计算方法,首先基于UHPC结构计算的基本假定建立了钢筋应力数值计算方法,然后推导并修正了考虑UHPC抗拉贡献的钢筋应力简化公式,最后通过与国内外文献相关试验结果进行对比,对所提出的钢筋应力简化公式的适用性进行了验证。结果表明：①数值计算方法所得钢筋应力预测值与实测值整体吻合良好,证明了该方法的有效性。②由于忽略了UHPC的抗拉贡献,直接采用GB 50010—2010规范和JTG 3362—2018规范推荐钢筋应力公式计算所得UHPC构件的钢筋应力误差较大。③根据UHPC结构计算基本假定推导出UHPC受弯构件开裂截面钢筋应力简化公式,并结合参数分析结果建议简化公式中系数α取值0.85,β取值0.50;钢筋应力在125~400 MPa范围时,简化公式预测效果较好;但当钢筋应力在40~125 MPa范围时,由于过高估计UHPC的抗拉贡献,简化公式预测结果明显偏小,甚至出现负值。④为避免简化公式过高估计UHPC抗拉贡献,改进了UHPC受拉贡献系数β的取值方法,进而得到了钢筋应力修正公式;修正后钢筋应力计算值在裂缝发展阶段内,与实测值、数值分析值均整体吻合良好,且与其他文献的钢筋应力试验值吻合也较好,表明修正公式的适用性也较好,可为UHPC结构设计规范的编制提供参考。     

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。     

组合梁负弯矩区UHPC接缝抗弯性能试验

为提高钢-混组合梁桥负弯矩区混凝土桥面板的抗裂性并简化现场施工工艺,提出新型钢-混组合梁桥负弯矩区超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）接缝方案。以湖南省某桥为工程背景,进行1∶2缩尺模型抗弯试验研究;编制截面弯矩-曲率关系MATLAB程序,并与实测值进行对比,验证该程序可用于计算UHPC覆盖下的普通混凝土（NC）中钢筋应力;对现有NC裂缝宽度规范公式进行修正,提出考虑UHPC约束作用的组合梁负弯矩区NC最大裂缝宽度的建议公式;讨论钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC湿接缝合理的纵桥向长度,分析UHPC层厚度及层内配筋对抗裂性能的影响。研究结果表明：新型UHPC接缝方案的抗裂性能和抗弯承载能力均满足工程要求,且接缝节点强度高于非接缝区预制部分强度;负弯矩作用下,试件沿梁高的应变较好地满足平截面假定,钢梁与混凝土板及UHPC与NC间的层间滑移量均较小;UHPC裂缝呈现“多而细”的特征,而NC裂缝呈现“少而宽”的特征,预制部分混凝土顶面最先开裂,之后UHPC-NC交界面、UHPC顶面、UHPC覆盖下的NC侧面依次出现裂缝;对于负弯矩区采用UHPC接缝的中小跨径钢-混组合连续梁桥,UHPC层的纵桥向长度宜为20%标准跨径,UHPC层厚度可根据实际工程设计要求确定,增大桥面板内钢筋直径可以提高负弯矩区混凝土的抗裂性能。     

螺旋肋GFRP筋与UHPC黏结强度试验及计算方法

为研究螺旋肋GFRP筋与UHPC黏结强度,以钢纤维掺量、保护层厚度、锚固长度及GFRP筋直径为试验参数,对60个螺旋肋GFRP筋与UHPC试件展开拉拔试验,获得了各参数对GFRP筋与UHPC黏结强度的影响规律。结果表明：GFRP筋UHPC试件的拔出破坏主要呈现直接拔出和劈裂拔出2种模式,直接拔出破坏主要出现于钢纤维掺量≥2%且保护层厚度较大的试件中;在不同参数情况下,直径18 mm及22 mm GFRP筋与UHPC黏结强度为19.6～53.7 MPa,同时黏结强度整体上随钢纤维掺量及保护层厚度的增加而增大,随锚固长度的增加而减小;当UHPC钢纤维掺量从0%增加至2%时,GFRP筋与UHPC黏结强度提高幅度达71.4%～74.1%,但钢纤维掺量由2%增加至3%时,出现黏结强度增长减缓甚至不增长现象;保护层厚度对黏结强度的增强作用存在“上限效应”,即当其小于临界保护层厚度时,黏结强度随保护层厚度增加而增长,但当其大于该临界值,增强作用显著减弱;直径18 mm、锚固长度1倍直径的GFRP筋在UHPC中的临界保护层厚度约为3倍直径。基于弹塑性力学中的厚壁圆筒理论,建立了GFRP筋与UHPC黏结...     

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。     

UHPC 加固钢筋混凝土梁抗弯承载力试验研究

为研究普通钢筋混凝土梁不同受力区域加固超高性能混凝土（UHPC）后抗弯承载力的变化情况,设计、制作了3根试验梁[未加固钢筋混凝土梁（RC）、受压区UHPC加固梁（UC）和受拉区UHPC加固梁（UT）],采用四点加载法进行抗弯试验,分析加固前后试验梁的破坏模式、荷载-挠度曲线及承载力变化规律。结果表明：试验梁UC和UT相较于RC,刚度和承载力大幅提高,其中承载力分别提高61.2%和96.9%;提出了钢筋混凝土梁受压区、受拉区（考虑纤维贡献）加固UHPC后的抗弯承载力简化计算公式,计算值和试验值误差小于5%,具有较高的计算精度和适用性。     

UHPC-NC键槽界面抗剪性能研究

为明晰超高性能混凝土（UHPC）加固RC结构的界面剪切力学行为,批量开展键槽定量化处理UHPC-NC界面抗剪承载性能试验研究。设计制作8组包含不同深度（t）、宽度（w）和间距（d）的UHPC-NC组合构件,分析了界面剪切荷载-滑移曲线特征,剪切应变分布规律、破坏形态以及极限抗剪承载力。试验结果表明,键槽处理方式能显著增强UHPC-NC界面初始剪切刚度（刚度值高于250 kN·mm^-1）并有效提高界面极限抗剪强度（1.46~3.98 MPa,其中大于3 MPa的试件占总数的57.1%）。不同键槽参数t,d和w对UHPC-NC界面抗剪强度的影响权值逐渐递减,且正角度开槽对界面抗剪强度的提升幅度为13%~32%,普遍优于负角度组;当深度t较小且w/t≤2时,后浇UHPC键槽部分承受较大剪切荷载,此时UHPC-NC界面出现“混合剪”破坏模式,能够有效发挥UHPC的抗弯拉性能;相同条件下,当w/t≥4时,后浇UHPC键槽面积在界面处占比增大,致使裂缝移至NC侧发展,即由NC主要承担界面剪力。此外,增大键槽间距d可改善界面域的剪力分配,“密集开槽”方式虽能有效提高界面抗剪能力,但考虑到此方式对原结构的损伤较大且施工成本较高,应对开槽深度和间距进行合理优化。提出基于断裂面法的UHPC-NC界面抗剪承载力计算公式,计算误差均在17%以内,计算结果表明,提出的公式可较好地评价定量化键槽处理的UHPC-NC界面抗剪性能。     

UHPC双向板抗冲切性能试验

为明确超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）双向板在局部荷载作用下的抗冲切性能,以UHPC强度、板厚、配筋率、局部加载面积和加载位置为试验参数,对9块四边简支UHPC双向板进行抗冲切破坏试验,分析UHPC双向板的冲切破坏机理和各试验参数对板抗冲切性能的影响规律。结果表明：试件均发生钢筋屈服后的冲切破坏,板底出现环形裂缝且板内形成冲切锥体;冲跨比小于7时,冲切破坏面倾角和名义抗冲切强度均随冲跨比增加而减小,而冲跨比大于7时,则其基本不变;UHPC强度等级从120 MPa提高到150 MPa时,板的抗冲切承载能力提高5.5%;当板厚由60 mm增加至80 mm和100 mm时,板的抗冲切承载能力分别提高69.7%和1.883倍;相较于1.31%配筋率的试件,2.57%配筋率的试件的抗冲切承载能力提高14.9%;与方形加载板边长为70 mm的试件相比,边长为90 mm试件的抗冲切承载能力提高9.8%;与中部加载试件相比,边部和角部加载试件的抗冲切承载能力分别提高15.3%和13.1%。为避免UHPC双向板发生钢筋网格内的冲切失效,板底受拉钢筋间距不应大于加载板边长与1.15倍有效板厚的和。基于试验结果和相关文献,评估了现有抗冲切承载力计算公式的适用性,并引入冲跨比考虑局部荷载偏置的影响,提出了适用范围更宽的UHPC板抗冲切承载能力计算公式。     

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。     

纤维高强混凝土干接缝剪切性能试验研究

节段预制匹配梁混凝土干接缝键齿受力后易沿键齿根部产生斜裂缝,并发生沿键齿根部脱落的脆性破坏,在混凝土中掺加纤维可改善干接缝剪力键受力性能。考虑纤维长度、纤维形状、纤维种类及纤维体积率4种影响因素,制作了4组9对干接缝剪力键试件进行直剪试验,得到了以上4个因素对纤维高强混凝土干接缝剪切行为和抗剪强度的影响规律。结果表明:与未掺加纤维的高强混凝土相比,纤维高强混凝土干接缝的开裂剪应力、极限剪应力和延性均有所提高,开裂剪应力平均提高了48.1%,极限剪应力提高了26.0%,延性指标提高了24.4%;在一定范围内,纤维高强混凝土干接缝的极限剪应力随着纤维长度的增长和纤维体积率的增大而增大;纤维混凝土可以增强干接缝的极限剪应力,端钩型纤维对干接缝极限剪应力提升的效果明显大于波浪型和平直型;同时,归纳了既有干接缝承载力计算公式,利用既有试验数据对不同公式的承载力计算值进行了对比分析,发现各公式对试件承载力的预测值与侧向预压应力有关,其中Rombach公式计算值与试验值吻合最好,但离散度较大。试验结果可为今后纤维高强混凝土干接缝剪切行为和抗剪强度的研究提供数据支持。     

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。     

预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪性能研究

相比现浇混凝土桥面板,全预制混凝土桥面板有诸多优势,能够提高桥梁工程质量、加快桥梁施工速度和降低成本.预制超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)梁和预制UHPC桥面板通过槽口连接形成组合梁是一种新的结构形式,这种槽口式连接的界面抗剪性能会影响全梁整体承载力.通过16个...