UHPFRC加固钢筋混凝土梁受弯抗裂性能研究

2022-06-27尹万杰唐文元

交通科技 2022年3期

尹万杰唐文元

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司武汉 430010)

普通钢筋混凝土受温度环境影响、车辆重载作用下的结构性能，以及耐久性较差[1]，在早期运营使用中容易发生开裂病害。因此，从可持续角度来看，带裂缝混凝土结构的后期加固与维修是目前值得关注的问题。许多研究已将高性能材料应用到混凝土结构中作为一种经济且高效的加固修复方法[2]。使用这些材料可改善钢筋混凝土结构的拉伸和疲劳性能。

超高性能纤维增强混凝土(ultra-high performence fibre reinforced concrete,UHFRPC)含有大量均匀、致密的钢纤维。因此，具有较高的抗拉强度、应变硬化，以及密度，且具有极低的渗透性，适合用来修复和加固现有的钢筋混凝土结构[3]。在钢筋混凝土结构薄弱易开裂部位,如开裂的路面和桥面,采用薄UHPFRC覆盖层(厚度10～50 mm)能够弥合混凝土基底中现有的裂缝。而且，UHPFRC层中的裂缝呈现均匀的细裂缝(宽度30～50 μm)[4]，细裂缝可以减少水、化学物质的渗透，从而减少结构中钢筋的锈蚀。钢纤维均匀分布在混凝土中，在开裂前可发挥其抗裂能力，开裂后通过裂缝间钢纤维“桥架”效应继续发挥其抗拉性能，产生分布均匀的细裂缝，而不是普通混凝土那种长而深的贯通裂缝。Garas等[5]研究表明，UHPFRC的徐变明显小于普通混凝土(NC)的徐变。因此，UHPFRC这种新型混凝土材料由于其超高抗压强度、高拉伸强度、固化后低收缩徐变，以及优异的延展性可以克服普通混凝土(NC)的局限性。

本文拟研究UHFRPC修复加固钢筋混凝土梁的受弯性能，以及UHFRPC厚度及UHFRPC层配筋率等参数对结构强度的影响。为此，使用非线性有限元软件进行有限元分析，并与试验结果进行对比验证，以取得钢筋混凝土结构修复加固经验。

1 UHPFRC-RC复合梁模型

1.1 方案提出

现有的钢筋混凝土结构在开裂后，在荷载作用下，裂缝继续发展使结构开裂病害进一步加重[6]。因此，必须采用UHFRPC对结构抗裂性能进行强化，以防止普通钢筋混凝土(RC)基层裂缝继续发展，文献[7]采用试验方法，提出2种加固结构。

1) 在钢筋混凝土(RC)结构的受拉易开裂部位增加1层薄UHPFRC覆盖层(UR复合结构)。

2) 在用于修复加固的薄的UHPFRC覆盖层内部增加1层纵向钢筋网，构成3层钢筋网的配筋设计(URR复合结构)。

采用2种加固构造的UHPFRC-RC复合型钢筋混凝土梁设计构造对比见表1，复合梁的构造尺寸及横截面尺寸见图1，其整体尺寸为5 400 mm×300 mm×200 mm，由厚度为150 mm的基层钢筋混凝土梁RC和厚度为50 mm的UHPFRC薄层组成。

表1 UHPFRC-RC与RC设计构造对比

图1 加固梁纵向和横向尺寸(单位：mm)

1.2 有限元验证模型

采用文献[7]中的试验，对UHPFPC修复加固钢筋混凝土梁的加固效果进行试验。

使用非线性有限元软件对2种加固方案建立有限元模型，UHPFPC薄层和RC基板采用8结点6面体缩减积分单元(C3D8R)，采用线性减缩积分单元可以提高计算效率，忽略应力集中部位，以节点应力作为分析指标，求解结果相对准确。钢筋采用理想化的桁架单元进行模拟(T3D2)，假设钢筋与混凝土之间的没有黏结滑移，将钢筋网嵌入混凝土中。边界条件是获得解析模型唯一解的必要条件，因此支撑点和加载点处的约束必须是对称的。荷载是由位移控制的。2种加固方案的复合梁有限元模型见图2。

图2 加固梁有限元模型

复合梁UHPFRC-RC有限模型对于2种不同材料之间的模拟不是单纯的采用界面之间的硬接触和摩擦系数来模拟。关于UHPFRC-RC之间的界面模拟采用内聚力模型，通过使用Cohesive Surface(内聚面)来模拟。关于UHPFRC-RC界面特性参数，本文拟采用文献[8]中不同粗糙类型中“粗糙”界面。

1.3 材料定义

图3显示了钢筋本构关系，在本模型中，采用理想的线弹性模型[9]。钢筋HRB500的屈服强度fy为500 MPa，钢筋的弹性模量和泊松比为200 GPa和0.3。

图3 钢筋应力-应变本构关系

本文中混凝土模型采用现行GB 50010-2010中推荐的应力-应变关系，混凝土开裂主要是受拉破坏，混凝土塑性损伤模型(CDP)可以很好地模拟这种破坏损伤过程，混凝土的单轴抗拉强度ft0和初始弹性模量Ec分别为3.14 MPa和38 GPa，泊松比为0.2。

图4显示了UHPFRC模型的单轴压缩应力-应变关系。UHPFRC的单轴抗压强度FUc和初始弹性模量EUc分别为156.3 MPa，34 GPa。UHPFRC的泊松比被确定为0.22。

图4 UHPFRC单轴受压本构关系

UHPFRC的拉伸行为对于小于εUt,max的应变，受拉本构为理想化双线性关系[10]，见图5。开裂强度fUt,1和极限抗拉强度fUt,max最大值分别为7.4 MPa，10 MPa。

图5 UHPFRC单轴受拉本构

1.4 试验验证

实际试验模型与有限元模型的跨中荷载-位移曲线见图6、图7。由图6、7可见，曲线可区分为3个阶段：①线弹性未开裂；②弹性开裂；③极限阶段。有限元模型的梁的荷载-挠度曲线与试验结果不太一致。在线弹性无裂纹阶段，分析荷载-挠度曲线比实验曲线稍硬。线弹性无裂纹阶段后，有限元模型的刚度再次高于试验梁的刚度。这是因为许多因素会导致分析模型中的刚度更高，如干缩、水化过程中的热演化和钢筋混凝土梁的处理导致钢筋混凝土梁试件中的微裂缝，而分析模型不包括此类微裂缝。由于这些影响，试验梁的刚度因微裂纹的存在而降低。但两者相对误差均较小，不超过10%。经过与试验数据的对比，充分验证了有限元模型的可靠性。

图6 UR-50荷载-挠度曲线图(无钢筋)

图7 URR-50荷载-挠度曲线(有钢筋)

图6显示了无钢筋的复合梁(UR-50)的荷载-挠度曲线。为了进行比较，还给出了RC基层荷载-挠度曲线。由图6可见，UR-50复合梁结构跨中挠度小于20 mm时，刚度增加过大，与传统的RC截面相比，UR-50梁的极限力与传统的RC截面计算的极限力接近。图7显示了钢筋嵌入UHPC层中的复合梁(URR-50)荷载-挠度曲线，由图7可见，在UHPFRC层中添加钢筋将URR-50梁的极限力增加了约2倍。

2 UHPFRC-RC复合截面弯曲性能

根据弯曲引起的应力分布，可以计算出UH-PFRC-RC复合结构的抗弯承载力[11]。根据以下假设确定沿截面高度的应变分布。

1) 满足平截面假定。即应变沿梁的高度呈线性分布(伯努利假设)。

2) UHPFRC层与混凝土之间的黏结良好，界面无滑动(整体行为)。

3) 在横截面上实现力和力矩平衡。

根据图8给出的理论分析模型，计算UHPFRC-RC复合截面的抗弯承载力。首先，假设顶部混凝土纤维的应变和中性轴深度。然后，定义横截面上的应变分布，利用本构关系计算横截面上的压应力和拉应力。然后通过将应力乘以横截面面积来计算截面受力，并调整中性轴，直到建立法向力平衡。当达到平衡时，弯矩是通过截面上的力产生的力矩之和来确定的。用混凝土顶部纤维中的不同应变重复该过程，以确定截面的开裂、屈服和极限承载力。

图8 弯曲模型分析

挠度计算则是根据规范ACI318-05[12]建议使用的有效惯性矩Ieff进行挠度计算，使用下式计算有效惯性矩，并用于计算开裂后的挠度。

式中：Mcr、Ma分别为跨中开裂弯矩和极限弯矩；Ieff为有效惯性矩；Igross为总截面惯性矩；Icrack为开裂后的惯性矩。将计算的简化荷载-挠度曲线与有限元结果进行对比，结果见图9。

图9 荷载-挠度曲线图

3 参数分析

3.1 UHPFRC层厚度

以UHPFRC层厚度hu为变量，其他条件与UR-50时条件相同，分析20，30，40，50(UR-20、UR-30、UR-40、UR-50)不同UHPFRC层厚度的影响。由于UHPFRC搅拌与运输的条件要求较高，且价格昂贵，为此为进一步降低UHPFRC的使用量，探究能否进一步减少UHPFRC层的厚度。

由图9分析结果表明，复合梁构造的抗弯承载力、抗裂性能及刚度随UHPFRC层厚度的增加而增加，这归因于UHPFRC的超高强度和应变硬化。由UR-40和UR-50结果可见，UHPFRC的抗拉强度导致极限荷载增加至1.22和1倍。因此，UHPFRC的拉伸性能取决于UHPFRC层的厚度，但是较厚的UHPFRC层会降低拉伸强度。这可以用UHPFRC层中的纤维偏析来解释。因此UHPFRC层厚度为40 mm时结构的抗弯性能最优。

通过ACI318规范计算的复合截面的开裂荷载与屈服荷载和有限元分析结果对比见表2。

表2 有限元与ACI318-05规范结果对比

由表2可知，有限元分析结果与ACI318规范计算结果吻合良好，误差均在10%左右，证实了有限元模型的适用性。结果还表明，开裂荷载随UHPFRC厚度的增加而增加，因为UHPFRC层会导致受压区高度的增加，因此，能够延迟裂缝的形成。从而改善结构在使用条件下的功能。开裂荷载比普通的钢筋混凝土结构高1～2倍。

3.2 配筋率

分析配筋率为0.48%和0.95%时对截面抗弯性能与抗裂性能的影响。

图10为UHPFRC层中配筋率荷载-挠度曲线。由图10可见，随着配筋率的增加，复合结构的开裂荷载和极限荷载均有显著提升。与嵌入UHPFRC中的10 mm长的小钢纤维相比，UHPFRC层钢筋可视为宏观“增强纤维”。钢纤维在材料层面起到“桥架”和限制微裂纹扩展的作用。与钢纤维不同的是，在荷载作用下，钢筋的作用不仅适用于提高极限承载力，而且也适用于限制UHPFRC-RC构件裂纹的形成。