预应力UHPC加固RC梁抗弯性能试验研究

2022-04-02张阳黄松龄刘颖峰邵旭东

湖南大学学报（自然科学版） 2022年3期

张阳，黄松龄，刘颖峰，邵旭东

（湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南长沙 410082）

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一种具有超高力学性能的新型水泥基复合材料［1］，由于在开裂后表现出的应变硬化行为，其具有远超普通混凝土（NSC）的超强抗拉韧性［2］.UHPC 内部结构致密，孔隙极少，在耐磨、抗冻融循环以及抗氯离子侵蚀等耐久性指标上也明显优于普通混凝土［3］.此外，已有研究表明，UHPC与NSC黏结界面具有较高的抗剪强度，黏结耐久性良好［4］.因此，UHPC是一种有前景的RC结构修复材料，具有同步实现结构增强与耐久防护的潜在优势［5］.

对使用UHPC加固RC 组合构件的工作性能，国内外已有学者展开了相应研究.Habel 等［6-7］对UHPC-RC 组合构件的抗弯性能与时变行为进行了试验研究，结果表明UHPC加固层能够延缓构件裂缝的形成与开展，提高构件的承载能力，而UHPCRC组合构件的时变效应主要由UHPC在90 d内的自收缩控制，长期荷载作用下UHPC 与RC 表现出良好的几何相容性.Oesterlee［8］和Safdar等［9］对UHPC-RC叠合梁进行了理论与试验研究，结果表明，在UHPC薄层配筋后可明显提高抗弯加固效果，构件抗弯刚度与承载能力随着UHPC 层厚度以及配筋率的增大而提高.Al-osta 等［10］研究了现浇或胶黏UHPC 条带加固RC梁的抗弯性能，试验结果表明，当对矩形梁进行三面围套加固时，结构抗弯刚度与承载能力的提升最为显著，但延性损失也相较严重，不同界面黏结方式对加固梁抗弯性能无明显影响.张阳等［11-12］对配筋UHPC加固损伤RC梁、板进行了抗弯试验研究，分析了RC结构损伤程度、UHPC增韧处理方法等参数对UHPC-RC 组合结构抗弯性能的影响，研究结果表明，UHPC 层加固效果随着RC梁的损伤程度增大而减弱，UHPC增韧后加固梁的抗裂能力和抗弯性能得到进一步提升.

上述研究结果均验证了使用UHPC加固RC 结构的有效性.然而，常规配筋UHPC 层无法改善RC结构的应力状态，原有损伤裂缝在外荷载作用下易重新开展，对于开裂严重、承载能力降低明显的RC结构而言，其加固效率还有待提高；为此，本文考虑在配筋UHPC层内施加预应力，形成预应力UHPC加固层，以期实现损伤RC 结构更加高效耐久的加固防护.具体方法为采用单根细钢绞线加小型扁平截面波纹管，实现预应力在UHPC加固薄层中的施加，并对损伤RC 结构表面进行凿毛刻槽处理，提高UHPC-RC 结合面黏结强度［13］，保证预应力UHPC加固的工程可行性.

本文通过四点弯曲试验研究了预应力UHPC 薄层加固损伤RC梁的抗弯和抗裂性能，探索分析了配筋UHPC层与预应力加固技术组合使用对RC结构抗弯性能的影响，为预应力UHPC加固技术在RC 结构加固领域中的推广应用提供参考依据和技术支持.

1 试验概况

1.1 试件设计及材料特性

RC梁普通混凝土设计强度等级为C50.加固材料UHPC 主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、混杂钢纤维以及高效减水剂组成，为提高UHPC 的抗拉韧性，1%直径为0.12 mm、长8 mm 的短直型钢纤维与2%直径为0.20 mm、长13 mm 的端勾型钢纤维混杂搭配使用.普通混凝土与UHPC 立方体抗压强度和弹性模量分别按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB∕T 50081—2019）［14］与《活性粉末混凝土》（GB∕T 31387—2015）［15］规定的标准试验方法进行测定，UHPC 初裂强度由狗骨头试件单轴抗拉试验测定［16］，混凝土材料性能试验结果见表1.

表1 混凝土材料性能试验结果Tab.1 Mechanical properties of concrete

设计试验梁3 根，分别为未加固对照梁（Reinforced Concrete Beam，RCB）、常规配筋UHPC加固梁（Reinforced-UHPC Strengthened Beam，RUB）、预应力UHPC加固梁（Prestressed-UHPC Strengthened Beam，PUB）.试验梁主要参数如图1 所示，RC梁几何尺寸为2 800 mm×400 mm×200 mm，净跨为2 600 mm，梁内钢筋均采用HRB400级普通钢筋，其中受拉纵筋为3φ18，架立筋为2φ12，箍筋布置情况弯剪段为φ10@60 mm，纯弯段为φ10@140 mm.UHPC加固层厚度为50 mm，RUB梁常规配筋UHPC 层布置3φ12受拉钢筋（HRB400），PUB梁预应力UHPC 层布置2φ12 受拉钢筋（HRB400）加单根直线型φ12.7 低松弛1860级预应力钢绞线.φ12、φ18钢筋实测屈服强度fy分别为466.7 MPa、435.5 MPa，φ12.7 钢绞线实测屈服强度fpy为1 781.6 MPa.

图1 试验梁几何尺寸（单位：mm）Fig.1 Geometrical dimensions of test beams（unit：mm）

1.2 加固流程

预应力UHPC 新型桥梁加固技术，主要针对RC梁截面受拉区进行加固补强，图2 所示为预应力UHPC加固技术在实际工程中的应用示意.

图2 预应力UHPC加固技术应用示意Fig.2 Application of prestressed UHPC strengthening technology

在实验室中，RC梁在常温养护60 d 后，为模拟RC 构件在加固前的实际开裂情况，加固之前对RC梁进行了预压加载，预压至RC梁开裂并出现宽度为0.2 mm 的裂缝后卸载，采用UHPC 进行加固，为保证准确预压至目标裂缝宽度，预压过程中采用裂缝观测仪同时测试多条裂缝的宽度变化情况，当其中有一条裂缝宽度达到目标值时立即停止加载.

PUB 试验梁具体加固工序为：①将预压损伤RC梁底面普通混凝土进行凿毛处理，凿毛深度为3～5 mm，为避免PUB梁UHPC-RC 界面因预应力钢绞线的张拉发生剪切破坏，界面端部同时进行了刻槽处理，槽深25 mm，界面处理完成后清理干净表面残余混凝土碎渣与灰尘，并保持界面处于湿润状态；②搭设UHPC加固层模板，布置受拉纵筋和预应力波纹管，其中波纹管截面尺寸为20 mm × 50 mm，与纵筋平行布置，然后在模板内浇筑UHPC加固层；③UHPC加固层常温养护7 d 后，在波纹管预留孔道内穿设张拉预应力钢绞线，控制应力为0.5fpy；通过表贴应变片及穿心式压力传感器实测得到UHPC加固层跨中底部压应变为69 με，钢绞线有效拉力为80.6 kN；最后在波纹管孔道内压注早强套筒灌浆料，使预应力钢绞线与混凝土黏结成为整体；④加固结束后进行常温养护28 d以上直至加载.RUB梁加固工序与PUB梁相同，界面无须进行刻槽处理.RC梁界面处理及UHPC层配筋如图3所示.

图3 RC梁界面处理与UHPC层配筋Fig.3 Interface treatment of RC beams and reinforcement of UHPC layer

1.3 试验加载及测量方案

如图4 所示，试验梁采用四点弯曲加载进行抗弯性能测试，纯弯段长600 mm，剪跨长1 000 mm.试验过程中，主要测量并记录了试验梁跨中、加载点以及端部支座处的挠度变化情况、弯曲裂缝宽度开展情况、梁内受拉纵筋和混凝土的应变变化情况以及加固梁UHPC-RC 界面的相对滑移情况.挠度与滑移数据的变化均由千分表测得；钢筋、混凝土应变变化由相应表贴应变计测得，混凝土开裂后名义受拉应变由引伸仪测得；裂缝宽度变化由智能裂缝观测仪（分度值为0.02 mm）进行监测.

图4 加载装置及测点布置（单位：mm）Fig.4 Test setup and measuring point arrangement（unit：mm）

2 试验结果及分析

2.1 破坏模式及荷载特征值

试验结果显示，所有试验梁的破坏模式均为传统的弯曲破坏，即受拉纵筋屈服后，裂缝宽度迅速增大，梁体下挠加剧，顶部普通混凝土受压破坏，加固梁破坏过程中还伴随着钢纤维从UHPC 基体中拔出的撕扯声.3 根试验梁抗弯破坏时梁体变形及裂缝分布情况如图5 所示，可以看出，未加固RCB梁裂缝总数量较少，但主裂缝数量较多，破坏时梁体下挠变形严重；而加固梁（RUB、PUB）由分别在UHPC加固层与RC梁中产生的弯曲裂缝在UHPC-RC界面处贯穿形成单根的弯曲主裂缝，其余RC 裂缝宽度及其平均间距均较小，UHPC 层密集分布多条微裂缝（裂缝宽度＜0.05 mm）.从加固梁的对比来看，PUB梁在预应力的作用下，其抗裂能力及抗弯刚度均进一步提升，破坏时梁体主裂缝宽度以及下挠变形均明显小于RUB梁.值得一提的是，加固梁在弯曲荷载作用下均表现出良好的整体工作性能，其中PUB梁UHPCRC 界面黏结完好，水平裂缝宽度较小，而RUB梁界面在主裂缝局部位置开裂较严重，但未造成界面剥离破坏.

图5 试验梁破坏模式Fig.5 Failure mode of test beams

试验梁实测荷载特征值见表2，其中Pcr为试验梁开裂荷载，Pccr为加固梁RC 裂缝重新张开荷载，Puy、Pcy分别为UHPC 层以及RC梁受拉钢筋的屈服荷载，Pu为试验梁峰值荷载.需要说明的是，损伤RC梁在加固后，原有RC 损伤裂缝因UHPC 薄层的约束作用处于闭合状态，Pccr即为RC 损伤裂缝重新张开达到可视宽度0.02 mm 时对应的荷载值.由表2 可知，与未加固梁RCB 相比，加固梁抗弯性能有明显提升；其中抗裂能力的提高主要得益于UHPC 层具有超高的初裂强度，在开裂前可承受的弯曲拉应力更大，而梁截面高度和配筋率的提升以及UHPC层裂后的应变硬化性能使得加固梁获得了更高的抗弯承载能力.对比不同加固梁的加固效果，在抗裂能力方面，PUB梁在Pcr与Pccr上较RUB梁分别提高了89.2%、67.7%；在屈服荷载以及抗弯承载能力方面，PUB梁在Puy、Pcy与Pu上较RUB梁分别提高了35.1%、40.9%、36.9%.PUB梁具有更高的抗裂强度是因为截面受拉区处于预应力状态，外荷载在该位置造成的主拉应力可由预压应力部分抵消，即“消压”过程，延缓了裂缝的形成与开展；同时，预应力钢绞线远超普通钢筋的抗拉性能使得预应力UHPC 层具有更高的拉伸强度和韧性，延缓了结构受拉钢筋的屈服，并进一步提高了PUB梁的抗弯承载能力.总的来说，PUB梁在抗裂性能与抗弯承载能力方面较RUB梁均有显著提升，即预应力UHPC 薄层的加固效率更高.

表2 试验梁实测荷载特征值Tab.2 Measured characteristic load of test beams kN

2.2 裂缝开展情况

反映各试验梁抗弯全过程UHPC（RC）裂缝宽度变化的荷载-裂缝宽度曲线如图6 所示，图中A点表示混凝土开裂荷载点（Pcr或Pccr），B点表示钢筋屈服荷载点（Puy或Pcy）.可以看出，加固梁不仅在开裂荷载上较未加固梁RCB 有较大幅度的提升，其裂缝开展速度也明显较慢.加固梁的弯曲裂缝的开展过程主要经历了两个阶段，阶段Ⅰ（A-B）：多重开裂阶段，此阶段UHPC 层裂缝开展十分缓慢，但竖向弯曲微裂缝数量却不断增多，在加固层钢筋屈服前，UHPC层各弯曲裂缝开展速度基本保持一致，无明显的主裂缝出现；此外，多重开裂以及裂后应变硬化的特性使得UHPC 层表现出良好的拉伸韧性，约束了RC 受拉区的拉伸变形，抑制了RC 新的裂缝形成和损伤裂缝的重新开展.PUB梁在此阶段裂缝的开展因预压应力的作用而明显延缓，其抗裂性能在RUB梁的基础上得到了进一步提升；阶段Ⅱ（B点之后）：裂缝宽度非线性增长阶段，UHPC加固层在内部受拉钢筋屈服后对混凝土裂缝宽度的控制能力减弱，UHPC 层多条微裂缝合并形成宽度较大（约为0.20 mm）的弯曲主裂缝，裂缝开展加快.

图6 荷载-主裂缝宽度曲线Fig.6 Load-width of crack curves

各试验梁达到特征裂缝宽度时对应的荷载值列于表3 中，其中P0.05、P0.10、P0.20分别为最大裂缝宽度达到0.05 mm、0.10 mm、0.20 mm 时对应的荷载值.由表3 可知，试验梁在达到相同特征裂缝宽度时，加固梁承载能力较未加固RCB梁有显著提升.对比不同加固梁，PUB梁在P0.05、P0.10、P0.20上较RUB梁分别提升了47.9%、67.9%、38.1%，说明预应力UHPC层较常规配筋UHPC 层具有更强的拉伸韧性，对裂缝开展的抑制能力更强，使得PUB梁在较小的裂缝宽度下获得了更高的承载能力.

表3 试验梁特征裂缝宽度荷载值Tab.3 Load value of characteristic cracks width of test beams kN

2.3 荷载-应变关系

UHPC加固层以及RC梁中受拉钢筋荷载-应变曲线如图7 所示.可以看出，钢筋应变随荷载变化的过程基本上可以划分为以下3 个阶段.阶段Ⅰ：UHPC（RC）开裂前阶段（A点之前），此阶段UHPC 层以及RC梁内钢筋应力水平较低，应变呈线性增长；阶段Ⅱ：UHPC（RC）开裂后至钢筋屈服的AB阶段，混凝土开裂后，截面应力重分布，受拉钢筋需要更大的应变来承担弯曲拉应力，因此荷载-应变曲线在A点出现了第一次转折，钢筋应变增长速度加快；阶段Ⅲ：屈服阶段，当荷载超过80%极限荷载之后，UHPC层与RC梁受拉钢筋相继屈服，应变快速增长，曲线逐渐趋于平缓.通过对比加固梁与未加固梁RCB的钢筋荷载-应变曲线可看出，对应相同荷载水平，加固梁钢筋拉应变明显小于RCB梁，究其原因有三点：首先，加固梁截面高度增大，相同荷载作用下，梁底产生拉应力较小；其次，截面配筋率提高，使得单根钢筋所承担的拉应力减小；最后，UHPC 开裂后钢纤维没有从基体中立即拔出，加固层由于钢纤维的桥接作用仍具有一定的抗拉能力，为受拉钢筋分担部分弯曲拉应力，延缓加固梁截面的应力重分布.对比不同加固梁，采用预应力UHPC 层对损伤RC梁加固后，截面受拉区有一定的预压应力储备，在外荷载作用下，梁截面主拉应力的减小使钢筋的应力水平也相应降低，因此PUB梁中钢筋应变增长较RUB梁更为缓慢.RC 构件中受拉钢筋应力水平的降低能有效减小混凝土裂缝宽度，从而提高构件的耐久性能.

图7 荷载-应变曲线Fig.7 Load-tensile strain curves

RUB梁与PUB梁UHPC加固层开裂应变（对应开裂荷载Pcr）实测值分别为150.5 με 和237.3 με，后者较前者提高了57.7%，直观地体现了预应力对UHPC加固层抗裂强度的提升作用.值得一提的是，RUB梁UHPC加固层开裂应变乘以实测弹性模量（见表1）所得开裂应力为6.6 MPa，小于UHPC 实测初裂强度（见表1），这可解释为UHPC-RC加固梁为新老混凝土组合结构，后浇UHPC 硬化过程中的收缩变形受到了RC梁的约束作用，致使加固层产生了一定的约束收缩附加拉应力，消耗了UHPC 的抗拉性能，导致了UHPC加固层开裂应力的降低.

2.4 挠度及延性

各试验梁荷载-跨中挠度曲线如图8 所示.从图中可以看出，在加载前期（A点之前），加固梁受二次受力影响，挠度略小于未加固梁RCB.梁体开裂后（A点之后），RCB梁刚度明显下降，曲线出现转折，而加固梁基本保持为线弹性工作状态，且挠度远大于RCB梁，这是因为配筋UHPC 层不仅提高了加固梁截面抗弯惯性矩，且UHPC 开裂后仍能保持较高的抗拉强度（应变硬化现象），加固梁截面刚度得以维持.对比不同加固梁，预应力UHPC加固层中高强预应力钢绞线的存在使得PUB梁截面抵抗弯矩的能力进一步增强，且混凝土裂缝在预应力作用下开展也较缓慢，较小的裂缝宽度也抑制了梁体的转动变形，在荷载-跨中挠度曲线上表现为挠度的提高.随着RC梁内受拉纵筋的屈服（B点），各试验梁挠度均明显降低，荷载-跨中挠度曲线出现明显的屈服转折点，下挠变形加快；在达到峰值荷载（C点）后，试验梁承载能力下降，下挠变形加剧，曲线进入下降段.

图8 荷载-跨中挠度曲线Fig.8 Load-midspan deflection curves

试验梁位移延性性能可采用构件塑性变形能力来反映，用延性系数μ（μ=Δu∕Δy）进行定量评估［17］，其中Δy为RC受拉钢筋屈服时所对应的跨中位移，Δu为试验梁承载能力下降至85%Pu时对应的跨中位移；试验梁实测Δy、Δu以及计算所得延性系数μ列于表4 中，其中γ为各试验梁与RCB梁延性系数μ之比.试验结果显示，RC梁在使用UHPC 薄层加固后塑性变形能力稍有下降，RUB、PUB梁延性性能分别降至RCB梁的96.1%、86.9%.其中PUB梁延性损失相对较大的原因在于预应力UHPC 薄层具有较强的抗拉韧性，在受拉纵筋屈服之后，加固梁纯弯段裂缝宽度较小，且只形成单根主裂缝，与其余试验梁数量多、宽度大的弯曲裂缝相比，预应力UHPC加固层较强的拉伸性能和数量较少、宽度较小的弯曲裂缝降低了PUB梁截面塑性铰的转动变形能力，从而造成了结构延性的损失.

表4 试验梁位移延性Tab.4 Deflection ductility of test beams

2.5 UHPC-RC界面相对滑移

UHPC-RC加固组合构件在发生弯曲变形时，因UHPC 与普通混凝土之间弹性模量的差异，UHPC 层与RC梁在界面处产生了弯拉变形差，导致UHPCRC 界面发生相对滑移.加固梁UHPC-RC 界面相对滑移量实测结果表明，剪跨位置处界面相对滑移量最大，图9 所示为加固梁实测荷载-滑移曲线，试验过程中测得RUB 与PUB梁界面水平开裂荷载分别为203.3 kN、310.5 kN（如图9 中A点所示）.可以看出，水平裂缝出现之前，界面相对滑移增长较缓慢，而PUB梁截面刚度较RUB梁更大，在同等荷载作用下，PUB梁体弯曲变形较小，UHPC层与RC梁界面处的弯拉变形差也相应较小，因此UHPC-RC 界面的相对滑移也更小.界面沿水平方向开裂后，相对滑移加快，但因水平裂缝仅在局部位置出现，且开展较慢，故直至构件进入极限状态后，界面相对滑移也没有进一步加剧，在整个受力过程中，加固梁（RUB、PUB）UHPC层与RC梁黏结较完好，无剥离破坏发生，RUB与PUB梁界面最大相对滑移分别为0.181 mm、0.201 mm.总的来说，在对RC梁加固面进行凿毛处理后，UHPC-RC界面具有足够的黏结强度，保证预应力UHPC层加固RC构件后具有良好的整体工作性能.

图9 荷载-滑移曲线Fig.9 Load-slippage curves

3 极限抗弯承载力计算

3.1 材料本构模型

在PUB加固梁极限抗弯承载力计算中，各材料的本构关系选择如下：①加固层UHPC 具有裂后应变硬化特性，配筋UHPC 极限拉伸应变εuu可达0.225%～0.261%［18］，超过了普通钢筋的屈服应变（0.2%）.因此，理论计算应考虑UHPC 裂后应变硬化行为，假定UHPC 初裂强度fut（见表1）与极限抗拉强度fuu相同，采用双折线模型模拟UHPC 受拉本构关系，UHPC 受拉本构关系如图10所示.②普通混凝土采用规范《混凝土结构设计规范（2015 年版）》（GB 50010—2010）［19］所给出的本构模型.③加固梁中钢筋、预应力钢绞线的拉、压本构关系均采用理想的弹塑性双折线模型，即达到屈服强度后，应变继续增长而应力保持不变.

图10 UHPC受拉本构模型Fig.10 Tension constitutive model of UHPC

3.2 抗弯承载力计算

PUB加固梁极限抗弯承载力计算模型如图11所示，对于极限状态下的PUB加固梁，受压区普通混凝土已进入塑性状态，计算模型中将受压区混凝土应力分布等效简化为矩形，认为受压区混凝土均匀达到其抗压强度fc，同时极限状态下普通钢筋（预应力钢绞线）分别已达到其屈服强度fy（fpy）.根据图10 所示的UHPC受拉本构关系，在极限状态下UHPC加固层未破坏失效，仍处于裂后应变硬化阶段，其抗拉能力保持在开裂强度fut不变，并假设拉应力沿UHPC厚度方向均匀分布.

图11 PUB加固梁极限抗弯承载力计算模型Fig.11 Analytical model of ultimate flexural capacity of PUB

根据图11 所示计算模型，混凝土受压区高度x可通过截面静力平衡关系求得，然后由对受压钢筋合力点取矩之和为零的平衡条件可得到加固梁极限抗弯承载力M，计算公式如下：

式中：hc、hu、h分别为原RC梁截面、UHPC加固层以及PUB加固梁组合截面的高度；as为RC梁受拉纵筋截面重心至RC梁底距离；a's为RC梁受压纵筋截面重心至RC梁顶距离；au为加固层受拉钢筋及预应力钢绞线重心至PUB加固梁梁底距离；Ast、Asc分别为RC梁受拉纵筋与受压纵筋的截面面积；Asu、Ap分别为UHPC加固层受拉纵筋与预应力钢绞线截面面积；Au为UHPC加固层截面面积.

将PUB加固梁各项数据代入上述公式后求得极限承载弯矩，换算成施加荷载为528.6 kN，记为Pcu，与试验实测值Pu进行对比，得到Pcu∕Pu为94.9%，理论计算值与试验结果吻合良好，且小于试验实测值，计算结果偏安全.