钢筋与UHPC黏结性能研究进展*

马福栋

(1.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032；2.上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有高强度、高韧性和高耐久性的水泥基复合材料，与钢筋组合可充分发挥钢筋抗拉性能和UHPC抗压性能。钢筋与UHPC黏结性能是二者协同受力、共同工作的关键，是钢筋在UHPC中的锚固、搭接长度设置及裂缝控制的基础。

UHPC高强度和高韧性有利于提高其与钢筋的黏结性能。与普通混凝土相比，UHPC中无粗骨料而有钢纤维，钢纤维可增强UHPC对钢筋的握裹作用。因此，钢筋与UHPC黏结机理和普通钢筋混凝土存在差异，现有普通钢筋混凝土黏结理论难以适用。

黏结性能涉及黏结强度、锚固(搭接)长度和黏结-滑移性能等，相关的计算方法主要依赖试验结果拟合，合理的试验方法对黏结性能的研究至关重要。本文对钢筋与UHPC黏结性能的试验方法、黏结强度、锚固(搭接)长度及黏结-滑移本构模型的研究现状进行分析，供相关研究的进一步开展作为参考。

1 试验方法

1.1 单根钢筋拔出试验

研究钢筋混凝土黏结性能最常用的试验方法为单根钢筋拔出试验(见图1)。许多学者采用该方法研究了钢筋与UHPC黏结机理、影响因素、黏结强度和黏结-滑移本构关系[1-8]。这种方法简单易行，但加载时锚固试件钢筋受拉，周围UHPC受压，会对锚固钢筋形成“拱效应”，与实际构件受力状态不符；锚固试件加载端受到约束产生的端部约束会限制UHPC开裂[3]。这些因素影响了钢筋与UHPC黏结破坏模式，测得的黏结强度偏高[9]。

图1 单根钢筋拔出试验

1.2 梁式试验

采用梁式试件研究钢筋与UHPC黏结性能和实际搭接受力状态最为相符[10]。Al-Quraishi等[11]和Saleem等[2]采用梁式搭接试件(见图2a)对钢筋与UHPC黏结性能和搭接长度进行了研究。贾方方[8]采用梁式锚固试件(见图2b)与单根钢筋拔出试件进行对比分析，研究了钢筋与UHPC黏结锚固性能。由于梁式试件制作和加载过程较复杂，工作量大，因此，相关研究成果较少。

图2 梁式试验

1.3 钢筋搭接对拉拔出试验

钢筋搭接对拉拔出试验能较好地反映实际构件钢筋搭接力状态。目前主要有2种试验方法：①2根钢筋偏心搭接对拉拔出试验(见图3a)。方志等[12]和马福栋等[13]采用这种试验方法研究了钢筋与UHPC黏结性能。但此试验方法中2根钢筋不同轴，加载时试件会发生转动，即使试件两侧设置限位钢块也难以完全避免。②钢筋对称搭接对拉拔出试验。Maya等[14]采用3根钢筋对称搭接试件(见图3b)研究了钢绞线在UHPC中的搭接性能；Lagier等[15]采用4根钢筋对称搭接试件(见图3c)研究了钢筋与UHPC黏结性能，既消除了试件转动影响，又避免了拱效应和端部约束。

图3 钢筋搭接对拉拔出试验

1.4 其他试验方法

Yuan等[16]采用如图4所示试验方法研究钢筋与UHPC黏结性能，此方法较简单，无法测得钢筋自由端滑移量，无法进一步研究钢筋与UHPC黏结-滑移曲线。Ronanki等[17]采用如图5所示试件进行拉拔试验，这种试件制作精度要求较高，对中难度较大。Shao等[18]采用如图6所示试件进行拉拔试验，此方法的优点是便于进行反复荷载加载，可模拟地震作用下钢筋与UHPC黏结性能。

图4 文献[16]中黏结性能试验

图5 文献[17]中黏结性能试验

图6 文献[18]中黏结性能试验

2 黏结强度

2.1 黏结强度影响因素

与普通混凝土类似，钢筋与UHPC黏结强度受钢筋间距、混凝土强度、保护层厚度、钢筋埋置长度和箍筋约束等因素影响。钢筋间距[9]是影响钢筋与混凝土黏结强度的重要因素，为满足钢筋与混凝土黏结受力和浇筑密实的要求，现行GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[19]规定了梁和柱纵筋最小间距要求，但现有研究对钢筋间距和数量对黏结性能的影响关注较少。Untrauer等[20]在梁中配置不同数量和净间距的钢筋，研究了钢筋净间距对黏结强度的影响，结果表明，钢筋数量较多、净间距较小时梁会发生水平劈裂破坏，黏结强度显著降低(见图7，图中的数字为钢筋数量)。UHPC中无粗骨料且具有超高强度，是否仍然适用于《混凝土结构设计规范》中钢筋间距要求，有必要进一步研究。

图7 钢筋净间距对黏结强度的影响

钢纤维掺量可提高UHPC强度和韧性，也是影响黏结强度的重要因素。Bae等[1]研究发现，1%钢纤维掺量的UHPC与钢筋黏结强度为无纤维掺加的2倍；钢纤维掺量由1%增加至2%，黏结强度增大不明显。但Alkaysi等[3]研究表明，钢纤维掺量由1%增加至2%，黏结强度增大36%。另外，由于钢纤维分布方向受混凝土浇筑方向的影响，纤维排列主要平行于流动方向[21-22]，对UHPC抗劈裂性能有重要影响[23]。Shao等[18]研究了UHPC浇筑方向对钢筋与UHPC黏结性能的影响，结果表明，浇筑方向垂直于钢筋比平行于钢筋的UHPC黏结强度提高了9%～26%。当前有关钢纤维掺量对黏结强度的影响还未形成系统和一致结论，对UHPC浇筑方向的影响研究还较少。

钢筋与UHPC黏结强度还受试验方法的影响，Shao等[18]统计了文献中117个钢筋与UHPC黏结试件的试验结果，并根据试验方法和破坏形态对试验结果进行分类，如图8所示。研究发现，钢筋与UHPC黏结强度为6.6～76.3MPa，单根钢筋拔出试验得到的黏结强度最大。发生拔出破坏的试件比发生劈裂破坏的试件得到的黏结强度大，因为发生拔出破坏的试件通常具有较大的相对保护层厚度(保护层厚度c与钢筋直径d之比)。

图8 试验方法对钢筋与UHPC黏结强度的影响

2.2 黏结强度计算方法

已有研究建立的黏结强度计算方法主要有2类：①通过试验数据拟合得到的经验公式[4,8,12-13,24](见表1)，但由于采用的试验方法不同，黏结强度存在差异，其拟合公式的准确性和适用性受到限制；②在Tepfers厚壁圆筒理论[25]基础上发展的理论公式[26-27]可适应不同材料的变化，但黏结强度预测准确性稍差，且仅适用于发生劈裂破坏的试件。

表1 文献中提出的钢筋与UHPC黏结强度计算公式

3 锚固(搭接)长度

钢筋混凝土结构中梁端、节点等构件中的钢筋常存在钢筋锚固问题，另外，为了运输、安装的便捷性，钢筋长度受到限制，需施工现场接长，常用的方法为绑扎搭接。因此，钢筋与UHPC的锚固(搭接)长度是UHPC应用于结构时要解决的关键问题。锚固(搭接)长度是指锚固(搭接)钢筋受拉达到屈服强度时所需的最小长度。诸多学者对此进行了研究，建议的锚固长度[2,6,28-31]如表2所示，搭接长度[12-13,32]如表3所示。总体而言，采用锚固试验的研究较多，搭接试验的研究较少，有待进一步在实际构件中进行验证。

表2 文献中建议的钢筋UHPC锚固长度

表3 文献建议的钢筋UHPC搭接长度

文献[13]提出了UHPC中钢筋锚固(搭接)长度计算，如式(1)所示：

(1)

式中：lsa为锚固长度；lsl为搭接长度，f取钢筋屈服强度fsy时，即得到锚固(搭接)长度；c为保护层厚度；ρsv为箍筋体积配箍率；fc为UHPC棱柱体抗压强度。

分析搭接长度和锚固长度计算公式，可推出两者之间存在线性关系，如式(2)所示：

(2)

4 黏结-滑移本构关系

局部黏结-滑移本构关系可表征钢筋与混凝土的全过程相互作用，也是建立构件有限元模型的基础。Eligehausen等[33]和徐有邻[34]建立的钢筋黏结-滑移本构模型最具代表性，已分别被欧洲规范[35]和我国《混凝土结构设计规范》[19]所采纳。

目前，对钢筋与UHPC黏结-滑移本构关系的研究相对较少。邓宗才等[7]分析了实测钢筋与UHPC黏结-滑移曲线各阶段的特征，结果表明，与普通混凝土相比，曲线上升段较陡，下降段平缓或有回升。Lagier等[36]测量了搭接钢筋不同位置黏结应力。安明喆等[6]通过试验数据回归拟合出了多项式形式的钢筋与UHPC黏结-滑移本构模型。Marchand等[28]对欧洲规范[35]推荐的钢筋混凝土黏结-滑移本构模型进行了修正，使其和钢筋与UHPC黏结-滑移曲线更吻合。梁芮等[37]采用分段函数的形式拟合得到二段式钢筋与UHPC黏结-滑移本构模型。以上研究的拟合数据均来自单根钢筋拔出试验的结果，可能会受到拱效应和端部约束的影响。贾方方[8]对梁式锚固试验的黏结-滑移曲线各特征值进行拟合，得到了分段线性黏结-滑移本构模型。总之，钢筋与UHPC黏结-滑移本构关系需采用更符合构件实际受力状态的试验方法进行深入研究。

5 基于钢筋与UHPC黏结性能的工程应用

5.1 桥梁结构中的应用

UHPC较早应用于预制桥面板的连接[38-39](见图9)。纽约锡拉丘兹市I-81号公路和斯德哥尔摩附近CR47道上的桥梁建造中均使用了UHPC对预制桥面板进行连接，钢筋无须弯折锚固，搭接长度大幅度缩短，降低了施工复杂程度和现场湿作业量。Hwang等[40]采用四点受弯试验验证了UHPC连接预制桥面板受弯性能，提出了一种考虑UHPC界面黏结性能和钢筋屈服行为的修正模型。此外，UHPC还被用于预制桥墩的连接[41-43]。

图9 预制桥面板的UHPC连接

5.2 装配式混凝土预制构件连接中的应用

2013年Maya等[44]采用UHPC在梁跨中和梁柱节点区连接预制梁，试验结果表明，采用15d的搭接长度可满足梁受弯承载的传力要求。

近年来，我国装配式建筑产业蓬勃发展，基于UHPC连接的预制构件研究逐渐增多。郑七振等先后提出采用UHPC连接预制柱[45]、预制梁[46]和预制剪力墙[47]，并对其受弯和滞回性能进行试验研究，结果表明，当钢筋搭接长度为10d时，基于UHPC连接的装配式预制构件的力学性能可等同于现浇试件。Zhang等[48]在钢筋端头加锚固板作为机械加强措施，在节点核心区后浇UHPC连接预制梁并研究了其滞回性能。马福栋等[49-51]采用UHPC在节点核心区连接预制梁和柱(见图10)，研究了其滞回性能并提出节点核心区受剪承载力计算公式。Xue等[52]采用UHPC在节点核心区连接带楼板的预制梁和柱，进行了滞回试验，并采用有限元模型模拟了循环荷载作用下的地震响应。

郑七振等[53]进行了UHPC连接预制构件单榀框架的低周反复试验，验证了采用UHPC连接的装配式混凝土结构抗震性能可等同于现浇结构。上海建工二建集团有限公司在上海金山枫泾海玥瀜庭和上海白龙港污水处理厂改造等项目中对这种结构形式进行了工程应用(见图11)。采用UHPC的装配式混凝土构件连接极大地降低了设计和施工难度，提高了装配效率，具有广阔的应用前景。但现有工程应用主要依赖试验结果，而试验得到的搭接长度为(10～15)d，尚缺少统一的理论基础和设计方法。

图11 采用UHPC连接的装配式框架结构工程应用

5.3 其他方面应用

Dagenais等[54]应用UHPC加固钢筋搭接长度不足的钢筋混凝土结构，考虑了搭接长度、钢筋直径、修复深度等因素的影响，取得了良好加固效果。官林星等[55]应用UHPC连接大断面顶管隧道预制管节，其接缝可满足隧道工程防水要求。

6 结语

1)钢筋与UHPC黏结性能主要依靠试验研究获取，合理的试验方法至关重要，应尽量采用还原构件实际受力状态的试验方法。4根钢筋对称搭接试验为较理想的试验方法。

2)UHPC中无粗骨料而有钢纤维，与普通混凝土黏结机理不同，有必要对钢筋净间距、钢纤维掺量和纤维分布方向等对黏结性能的影响开展进一步研究。

3)目前关于锚固长度的研究较多，关于搭接长度的研究较少，根据文献中提出的锚固和搭接黏结强度的关系，提出了锚固长度和搭接长度的线性关系，尚需更多实际构件试验进行锚固(搭接)长度的验证。

4)钢筋与UHPC在预制构件连接或钢筋搭接缺陷的加固中已有工程应用。但现有工程应用主要依赖试验结果，统一的理论基础和设计方法有待进行深入研究。