R-UHPC梁抗弯性能分析

廖宇芳　施培华

摘要：文章通过建立有限元模型，研究了R-UHPC梁的抗弯性能，对比了R-UHPC梁与RC梁的破坏模式、荷载-挠度曲线与荷载-受拉钢筋应变曲线，并分析了钢纤维掺量对R-UHPC梁抗弯性能的影响。

关键词：R-UHPC梁;RC梁;抗弯性能;钢纤维掺量

中国分类号：U441+.4文章标识码：A150555

0 引言

由于原材料简单、成本低、可塑性强，普通混凝土已经广泛应用于工程结构中[1]。但随着社会发展与材料来源减少，混凝土结构已逐渐向轻质化、高性能化、密实化发展。超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是一种新型水泥基复合材料，最初由Richard和Cheyrezy研发所得[2]。其主要是通过去除粗骨料、优化集配以提高材料的密实度，通过掺加矿物掺合料，例如硅灰、粉煤灰等来降低材料孔隙率，从而获得高抗压强度。此外，还可以通过添加钢纤维等来提高其抗拉强度和韧性[3-5]。

目前国内外学者已对UHPC增强增韧机理进行了研究。刘超等[6]分析了T形配筋应变强化UHPC梁在受力时UHPC与钢筋的协同工作性，并认为UHPC提供的抗拉强度为结构受力提供了重要抗力。杨志慧等[7]对不同钢纤维掺量的RPC材料的抗拉性能进行研究，研究表明RPC材料的劈裂抗拉强度可达23.30 MPa，远大于普通混凝土抗拉强度。黄政宇等[8]对UHPC材料开裂后的性能进行分析，研究表明，由于钢纤维的掺加，UHPC材料在开裂后仍可以提供拉应力。为研究R-UHPC梁的抗弯性能，本文通过建立有限元模型，首先对R-UHPC梁与C40普通混凝土梁的抗弯性能进行比较，并进一步分析UHPC中钢纤维掺量对R-UHPC梁抗弯性能的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 几何尺寸与参数

本文分析的RC梁与R-UHPC梁的尺寸相同，均为长2.5 m、宽0.15 m、高0.3 m的简支梁。受拉钢筋与受压钢筋均为直径为16 mm、长2.45 m的HRB335钢筋，箍筋采用直径为12 mm的HRB335钢筋，间距为100 mm，混凝土保护层厚度为25 mm。各模型梁的截面尺寸如下页图1所示，分析参数如下页表1所示。

2 UHPC梁抗弯性能分析

2.1 破坏模式与应力分析

RC-1梁与RU-1梁破坏时的情况如图4所示。由图可知，各模型梁在四点受弯的情况下，发生的是适筋梁破坏，当纵筋屈服后，中性轴逐渐上升，受压区混凝土压碎，其中，RC-1梁的梁底最大拉应力为1.522 MPa，而RU-1梁的梁底最大拉应力为4.931 MPa，相比RC-1梁提高了223.98%，这表明将梁体材料换为UHPC后，梁底最大拉应力得到大幅提升，在相同的受荷情况下，可以延缓受拉区混凝土开裂。对比图4（a）与图4（b）也可看出，RC-1梁的最大等效应力区（即开裂区）范围远大于RU-1梁。除此之外，RU-2梁、RU-3梁的梁底最大拉应力为6.072 MPa、8.774 MPa，相比RU-1梁分别提高了23.14%、77.94%，这说明R-UHPC梁受拉区开裂后，可以继续承载，与钢筋共同受力，且钢纤维掺量增加后，钢纤维的阻裂作用能更好发挥。

2.2 荷载-挠度曲线

2.2.1 RC与R-UHPC梁的对比

RC-1梁与RU-1梁的荷载-挠度对比曲线如图5所示，各阶段梁截面的受力图如图6所示。受力初期，梁底混凝土未开裂，RC-1梁与RU-1梁均处于弹性状态，见图6（a）;随着荷载的增加，RC-1梁跨中挠度增大，受拉区混凝土开裂，逐渐退出工作，中性轴上移;当加载荷载达到53.31 kN时，RC-1梁的荷載挠度曲线刚度变化明显，进入破坏阶段，见图6（b）;当荷载达到76.57 kN时，RC-1梁达到其极限承载力，结构破坏。对于RU-1梁而言，当UHPC开裂后，由于钢纤维的阻裂作用，存在带裂缝工作阶段，即受拉区UHPC进入软化段，但钢筋未屈服时，UHPC仍可以贡献一定的拉应力与钢筋共同工作。当荷载达到89.06 kN时，RU-1梁的刚度才开始退化，见图6（c），此时，UHPC软化速度加快，提供的拉应力逐渐降低，但并未退出工作。最终RU-1梁的极限承载力达到了110.50 kN，相比RC-1梁增加了44.31%。

2.2.2 不同钢纤维掺量的R-UHPC梁对比

不同钢纤维掺量下UHPC梁的荷载-挠度对比曲线如下页图7所示。由图7可知，加载前期，随着钢纤维掺量的增加，UHPC梁的刚度增加并不明显;各R-UHPC梁的刚度退化点明显不同，当荷载达到89.06 kN时，钢纤维掺量为1%的RU-1梁的刚度已经开始退化，但RU-2梁与RU-3梁仍可以继续承载;RU-2梁与RU-3梁的刚度明显退化，对应的加载荷载分别为100.74 kN、119.77 kN，相比UHPC-1梁分别增加了13.11%与34.48%，表明钢纤维掺量增加后可以明显增加UHPC梁的弹性极限荷载。除此之外，钢纤维掺量为1%的R-UHPC梁的极限抗弯承载力为110.5 kN，钢纤维掺量为2%、3%时，极限抗弯承载力为118 kN、134.09 kN，相比UHPC-1梁增加了6.79%、21.35%，表明UHPC掺量提高后，R-UHPC梁的抗弯承载力提高幅度变大。

2.3 钢筋受力分析

2.3.1 普通混凝土梁与R-UHPC梁的对比

图8为普通混凝土梁RC-1与掺有1%钢纤维的RU-1梁的荷载-受拉钢筋应变曲线。由图8可知，根据曲线斜率变化可以得出RC-1梁与UHPC梁的开裂荷载与钢筋屈服荷载。当荷载<14.95 kN，RC-1梁处于弹性阶段，随着荷载的增加，RC-1梁进入裂缝开展阶段，当荷载达到48.68 kN时，RC-1板受拉钢筋屈服。RU-1梁的开裂荷载与钢筋屈服荷载为28.59 kN、79.46 kN，相比RC-1梁分别增加了91.24%、63.2%。说明梁体材料采用UHPC后，其开裂荷载与钢筋屈服荷载都能得到大幅提高。

2.3.2 不同钢纤维掺量的UHPC梁对比

图9为不同钢纤维掺量的R-UHPC梁的荷载-受拉钢筋应变曲线。由图9可知，各R-UHPC梁的荷载-受拉钢筋应变曲线几乎重合，但开裂荷载有所区别，RU-1梁对应的开裂荷载为28.59 kN，RU-2梁、RU-3梁的开裂荷载分别为32.38 kN、34.21 kN，相比RU-1梁增加了13.26%、20.04%，这是由于UHPC中钢纤维的增强增韧作用可提高R-UHPC梁的开裂荷载。随着荷载的增加，钢筋逐渐屈服，RU-1梁对应的钢筋屈服荷载为79.46 kN，RU-2梁、RU-3梁的钢筋屈服荷载分别为87.56 kN、102.54 kN，相比UHPC-1梁增加了10.19%、29.05%，说明受拉区UHPC开裂后其增强增韧作用仍然存在，可以与钢筋共同承担受力。

2.4 承载力分析

我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）规定的抗弯承载力Mu如式（1）所示：

由表2可知，未考虑UHPC的抗拉强度，R-UHPC梁抗弯承载力计算值与模型模拟值的误差为34.7%;考虑UHPC抗拉强度后，此误差减小到9.1%，表明R-UHPC梁进行抗弯承载力计算时需考虑UHPC的抗拉强度。

3 结语

本文通过建立有限元模型，对R-UHPC梁与C40普通混凝土梁的抗弯性能进行比较，并分析了UHPC中钢纤维掺量对R-UHPC梁抗弯性能的影响，所得结论如下：

（1）在四点受弯的情况下，将梁体材料换为UHPC后，其破坏模式未改变，发生的是适筋梁破坏，且随着钢纤维掺量的提高，R-UHPC梁的最大等效拉应力能得到大幅度提高。

（2）由RC-1梁与RU-1梁的荷载-挠度曲线可知，随着荷载的增加，RC-1梁与RU-1梁的跨中挠度增大，且RU-1梁的刚度明显大于RC-1梁，R-UHPC梁的开裂荷载、极限承载力得到大幅提高。

（3）随着钢纤维掺量的增加，R-UHPC梁的刚度增加并不明显，但可以增加R-UHPC梁的弹性极限荷载与UHPC梁的抗弯承载力，钢纤维掺量为2%、3%的R-UHPC梁的抗弯承载力相比钢纤维掺量为1%的R-UHPC梁提高了10.19%、29.05%。

（4）RU-1梁的开裂荷载与钢筋屈服荷载相比RC-1梁增加了91.24%、63.2%，梁体材料采用UHPC后，其开裂荷载与钢筋屈服荷载都能得到大幅提高。

（5）钢纤维掺量不同的R-UHPC梁的荷载-受拉钢筋应变曲线在加载前期几乎重合，但R-UHPC梁的开裂荷载随着钢纤维掺量的增加而增大，钢纤维的增强增韧作用不仅体现在弹性阶段，在受拉区UHPC开裂后其增强增韧作用仍然存在。

（6）本文对R-UHPC梁的抗弯承载力进行了讨论，结果表明考虑UHPC的抗拉强度后，R-UHPC梁抗弯承载力计算值与模型模拟值的误差由34.7%减小到9.1%，R-UHPC梁进行抗弯承载力计算时需考虑UHPC的抗拉强度。

参考文献：

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