UHPC加固箱梁頂板受彎性能試驗(yàn)研究

張陽+黨祺+穆程

摘 要：提出密配筋UHPC（超高性能混凝土）加固鋼筋混凝土箱梁頂板方法，以消除混凝土箱梁頂板因開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性普遍降低兩類病害.為探究該加固方法在集中荷載下的箱梁頂板橫向受彎性能，對3塊足尺箱梁頂板局部模型進(jìn)行試驗(yàn)研究.試驗(yàn)結(jié)果表明：負(fù)彎矩作用下， 受拉的UHPC層顯著提高了加固板的抗裂性能和剛度；加固試驗(yàn)板的開裂強(qiáng)度取決于UHPC的彈性抗拉性能；裂縫寬度為0.2 mm時的持荷水平相對于未加固試驗(yàn)板提高了255.8%；當(dāng)裂縫寬度小于0.27 mm時，荷載與最大裂縫寬度關(guān)系近似線性.正彎矩作用下，UHPC層受壓，加固試驗(yàn)板的開裂強(qiáng)度取決于封閉裂縫所用黏膠的抗拉強(qiáng)度；因?yàn)槠胀ɑ炷羺^(qū)域裂縫出現(xiàn)較早，正彎矩加固板在前期表現(xiàn)出略微偏大的撓度，但后期撓度和裂縫寬度的增長速度均明顯小于未加固板，致密的UHPC層為箱梁頂板提供良好的防水性能，加固層對正彎矩試驗(yàn)板剛度的提高和裂縫發(fā)展的控制效果較為明顯；破壞形態(tài)符合預(yù)期，破壞荷載與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好.

關(guān)鍵詞：橋梁工程；加固；超高性能混凝土（UHPC）；開裂；抗彎承載力

中圖分類號：U443.32； TU528.58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：A method for retrofitting the top slab of the reinforced concrete box girder with high-reinforcement-ratio UHPC is proposed in order to mitigate the loss of the capacity and durability of the bridge due to the cracking of the top slab. Test on the local models of three top slabs of the box girder is then conducted to investigate the effect of this retrofit method on the lateral flexural behavior of the top slabs under the concentrated loads. The test results show that the UHPC layer subjected to tensile stress induced by negative bending moment improves the cracking resistance and stiffness of the retrofitted slab significantly； The cracking resistance of the retrofitted slab is dependent on the elastic tensile strength of the UHPC； Compared with the unretrofitted slab， the load resistance of the retrofitted slab with the crack width of 0.2 mm increases by 255.8%； When the crack width is less than 0.27 mm， a linear relationship between the load and the maximum crack width is found. On the other hand， when the UHPC layer is subjected to compressive stress induced by positive bending moment， the cracking resistance of the slab is determined by tensile strength of the glue used for sealing cracks. Due to premature cracks in the unretrofitted part of the slab， the retrofitted slab subjected to positive bending moment exhibits a little larger deflection， but the growth rates of both the deflection and crack width of the retrofitted slab during the later period are clearly less than those of the unretrofitted slab. In addition， the top slab is well waterproofed by the compact UHPC layer. The retrofitting layer can effectively enhance the stiffness of the tested slab subjected to positive bending moment and control the crack growth. Failure patterns basically meet the expectations， and the theoretical calculation agrees well with the failure loads.

Key words：bridge engineering； strengthening；ultra-high performance concrete（UHPC）； crack； flexural capacity

我國現(xiàn)有的公路混凝土橋梁大多數(shù)是根據(jù)20世紀(jì)70年代至80年代初，甚至更早的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造的[1]，其結(jié)構(gòu)普遍出現(xiàn)混凝土老化、破損、變形較大、開裂現(xiàn)象嚴(yán)重、橋梁持荷能力明顯下降等病害[2].對于這類橋梁的加固，尋找一個安全可靠、耐久性高的加固方法尤為重要.現(xiàn)有加固方法大致分為2大類，一類是無機(jī)材料黏接形式：如高強(qiáng)不銹鋼絞線聚合砂漿加固法等，加固材料強(qiáng)度較低，加固對原結(jié)構(gòu)剛度和延性提高不明顯；另一類是有機(jī)材料黏接形式，如粘貼纖維布加固法及粘貼鋼板加固法等，此類加固方法都需要使用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，而有機(jī)材料耐高溫性能及耐火性能相對較差，耐久性能也有待提高[3].

超高性能混凝土（UHPC）是一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度超過150 MPa，抗拉強(qiáng)度超過5 MPa（或7 MPa），并具有良好的耐久性[4].由于鋼纖維分布及其方向的隨機(jī)性，實(shí)際工程中通常配置普通鋼筋以穩(wěn)定提高UHPC的抗拉強(qiáng)度[5].研究表明，由于UHPC材料自身超高的抗拉強(qiáng)度及抗拉韌性，UHPC加固方法可以在一定程度上提高普通混凝土板的剛度和延性[6-7].

本文研究的UHPC加固方法采用抗剪栓釘連接方式，同時充分利用UHPC與普通混凝土的表面黏接力來提供界面抗剪能力，依靠配筋UHPC自身超高的材料性能增強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)的整體剛度、延性及承載能力.使用UHPC加固方法不僅可以使原結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)得到大幅改善，并且基本不增加結(jié)構(gòu)自重，耐久性極強(qiáng)，更為關(guān)鍵的是其有效避免了有機(jī)黏接劑的耐久性差問題對加固帶來的巨大危害.但是，目前關(guān)于UHPC材料應(yīng)用于加固的情況，國內(nèi)外尚無完善的規(guī)范，也缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此有必要通過試驗(yàn)研究配筋UHPC加固普通混凝土箱梁頂板在正/負(fù)彎矩作用下的抗彎拉性能.國外學(xué)者研究了界面粗糙度對UHPC黏接力的影響[8]、配筋UHPC板受彎性能[9]、配筋UHPC與普通混凝土通過環(huán)氧樹脂膠構(gòu)成的新型組合板的受彎性能[10]和配筋UHPC與預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁的結(jié)構(gòu)性能[11].國內(nèi)學(xué)者研究了鋼-UHPC組合板的受彎性能[12]和高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC板的受彎性能[13].目前國內(nèi)外對采用剪力釘連接方式的UHPC加固混凝土板的彈性極限、裂縫發(fā)生發(fā)展情況、承載能力及破壞形態(tài)鮮見報道.

赤石特大橋是汝郴高速公路上的一座預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面斜拉橋，2014年10月29日下午4時許，赤石特大橋6#索塔汝城-郴州方向左幅主塔錨固區(qū)內(nèi)起火，事故造成大橋混凝土主梁頂板開裂嚴(yán)重，開裂區(qū)域裂縫主要以與箱梁軸線約呈30°～60°夾角的斜向裂縫為主.

本文針對赤石特大橋火災(zāi)事故，設(shè)計(jì)了密配筋UHPC加固赤石特大橋混凝土箱梁橋面板靜力正/負(fù)彎矩加載試驗(yàn)，對加固結(jié)構(gòu)的彈性極限、開裂強(qiáng)度、整體剛度、裂縫發(fā)生發(fā)展情況、承載能力及破壞形態(tài)等進(jìn)行測試，從中總結(jié)出相應(yīng)的特征和規(guī)律，以探明密配筋UHPC加固箱梁頂板的受彎性能，供混凝土箱梁加固設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及材料特性

試驗(yàn)前期準(zhǔn)備階段，在赤石特大橋項(xiàng)目部現(xiàn)場澆筑3塊足尺箱梁頂板局部模型作為試驗(yàn)板.各試件的尺寸相同，沿橋梁橫向長度為3 200 mm，橫向凈跨為3 000 mm，沿橋梁縱向長度為2 000 mm，厚度為280 mm，其中加固試驗(yàn)板厚度增加50 mm的密配筋UHPC.

試件及其主要參數(shù)如圖1所示.UHPC加固層中布置縱橫雙向鋼筋網(wǎng)，通過在頂板上植入長為150 mm的抗剪栓釘與箱梁頂板連接.為充分模擬混凝土箱梁頂板的實(shí)際開裂情況，在對試驗(yàn)板進(jìn)行加固之前先對其中2個試件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)預(yù)壓，使其產(chǎn)生與頂板橫向成45°夾角的斜裂縫（如圖1（d）所示）.3塊試件分別為未加固對比試件、正彎矩加固試件和負(fù)彎矩加固試件.

試驗(yàn)中UHPC材料主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、高效減水劑、混雜鋼纖維組成.端鉤型鋼纖維長13 mm，直徑0.2 mm，摻入體積分?jǐn)?shù)為2%；圓直型鋼纖維長8 mm，直徑0.12 mm，摻入體積分?jǐn)?shù)為1.5%.UHPC加固層中鋼筋直徑為10 mm，等級為HRB400，箱梁頂板材料為C55普通鋼筋混凝土，頂板內(nèi)鋼筋間距15 cm，鋼筋直徑16 mm，等級為HRB400.剪力釘直徑為13 mm，高度150 mm，對釘帽以下部分進(jìn)行壓紋（如圖1（c）所示），植入箱梁頂板深度為115 mm，UHPC加固層中高度為35 mm，剪力釘沿縱向、橫向間距均為300 mm，剪力釘布置如圖1（b）所示.試驗(yàn)中澆筑加固層時制作9個100 mm×100 mm×100 mm的UHPC立方體試塊與6個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊，與加固板在相同的室內(nèi)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h后，待UHPC終凝，加固板與試塊脫模后蒸氣養(yǎng)護(hù)48 h，養(yǎng)護(hù)溫度控制在90～100 ℃.按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序[14]測試UHPC的基本力學(xué)性能，結(jié)果見表1.

1.2 試驗(yàn)加載及測量方案

本試驗(yàn)的3塊試件均為跨中集中加載的簡支試件.試驗(yàn)采用1 500 kN油壓千斤頂進(jìn)行加載.為保證試件在水平方向自由移動，在試件的一端使用滾軸支座.為便于負(fù)彎矩加載時測量UHPC加固層頂面裂縫寬度，采取油壓千斤頂從下向上施加荷載的反向加載方案，正彎矩仍采取正向加載.

試驗(yàn)中主要測量了試件的跨中和端支座位移、UHPC加固層側(cè)面和底部靜態(tài)應(yīng)變，以及底部開裂后的裂縫寬度等.電阻應(yīng)變片的數(shù)據(jù)用TDS-602靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集.同時，為了更好地測試UHPC加固層開裂后的受拉應(yīng)變情況，在UHPC加固層頂面布置3個引伸儀.

試驗(yàn)中撓度數(shù)據(jù)由百分表測得，引伸儀增量及支座位移由千分表測得，試件的絕對撓度由跨中撓度減去支座位移得到，荷載由千斤頂油壓表和壓力傳感器共同監(jiān)控，試驗(yàn)中裂縫寬度由智能裂縫觀測儀監(jiān)控，其精度為0.01 mm.試驗(yàn)測點(diǎn)及引伸儀布置如圖2，圖3和圖4所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正彎矩加固試驗(yàn)板

2.1.1 荷載撓度曲線

試驗(yàn)板豎向位移由百分表測量，跨中撓度為δ=（Z1+Z2+Z3）/3+（N1+N2+S1+S2）/4，其中Z1～Z3為跨中橫向布置的3個百分表讀數(shù)，N1，N2，S1，S2分別為支座處布置的4個千分表讀數(shù).正彎矩作用下，加固試驗(yàn)板的荷載跨中撓度曲線與未加固試驗(yàn)板對比如圖5所示.

加固試驗(yàn)板在正向加載的跨中集中荷載作用下，跨中撓度與荷載在前期呈明顯線性關(guān)系，但撓度曲線的斜率小于未加固試驗(yàn)板的彈性階段.原因是普通混凝土層前期已預(yù)壓至開裂，裂縫封膠不能提高其抗拉強(qiáng)度，正彎矩加固試驗(yàn)板表現(xiàn)出較早的開裂現(xiàn)象；但在未加固試驗(yàn)板開裂與正彎矩加固試驗(yàn)板均進(jìn)入裂縫發(fā)展階段之后，UHPC加固層不僅提高了截面的慣性矩，同時具有較高的抗壓強(qiáng)度及彈性模量，隨著荷載的持續(xù)增大，加固試驗(yàn)板在正彎矩作用下的撓度和裂縫發(fā)展速度明顯低于未加固試驗(yàn)板；圖5中A點(diǎn)之前，加固試驗(yàn)板表現(xiàn)出比未加固試驗(yàn)板較大的撓度，是因?yàn)榧庸淘囼?yàn)板在前期已經(jīng)預(yù)壓至開裂，在荷載保持較低水平時，底層僅鋼筋受拉，普通混凝土失去承載力，需要更大應(yīng)變以滿足應(yīng)力要求，試驗(yàn)主要撓度結(jié)果匯總于表2.

當(dāng)荷載大于232 kN之后，加固板撓度持續(xù)小于未加固板，在未加固板接近破壞荷載677 kN時，加固板撓度僅為未加固板的35.6%；荷載達(dá)到569 kN，荷載撓度曲線開始有比較明顯的斜率變化，試件剛度下降速度較快，試驗(yàn)板底部出現(xiàn)橫向裂縫，此時加固試驗(yàn)板在正彎矩作用下達(dá)到屈服階段，撓度相對未加固試驗(yàn)板減小36.6%，荷載提高了8.4%，剛度提高較明顯.試件進(jìn)入延性階段至破壞的過程中，加固板表現(xiàn)出更高的延性，撓度增加量是未加固試件的24.9%，原因是組合結(jié)構(gòu)中的受壓區(qū)高度小于UHPC加固層厚度，普通混凝土層2層鋼筋均受拉，相比于普通混凝土箱梁頂板承受正彎矩時，加固板中的上層受拉鋼筋可以幫助底層受拉鋼筋分擔(dān)部分應(yīng)力，底層鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度時，上層鋼筋已經(jīng)承受部分拉應(yīng)力，所以加固試驗(yàn)板表現(xiàn)出更高的延性.

2.1.2 荷載主裂縫寬度曲線

正彎矩作用下，加固試驗(yàn)板的荷載主裂縫寬度曲線如圖6所示.

加固試驗(yàn)板UHPC加固層受壓，普通混凝土層受拉.由于結(jié)構(gòu)整體開裂強(qiáng)度取決于裂縫封膠材料的強(qiáng)度，所以底面跨中裂縫出現(xiàn)較早，出現(xiàn)可見裂縫時的荷載水平較低，初始裂縫最早出現(xiàn)在跨中底部，裂縫發(fā)展均沿預(yù)壓初始斜裂縫方向，試驗(yàn)主要裂縫結(jié)果匯總于表3.

荷載達(dá)到177 kN，未加固試驗(yàn)板的主裂縫寬度為0.1 mm，此時正彎矩加固試驗(yàn)板裂縫寬度為0.9 mm，是未加固試驗(yàn)板縫寬的90%；未加固試驗(yàn)板主裂縫寬度達(dá)到0.2 mm控制點(diǎn)時，加固試驗(yàn)板主裂縫寬度為0.1 mm，僅為未加固試驗(yàn)板的50%；未加固試驗(yàn)板達(dá)到破壞荷載時，加固試驗(yàn)板主裂縫寬度為0.34 mm，為未加固試驗(yàn)板的27.8%；加固試驗(yàn)板主裂縫寬度大于0.35 mm后，底面斜裂縫改變走向，出現(xiàn)橫向貫通裂縫，同時主裂縫寬度突然增大，試驗(yàn)板進(jìn)入破壞階段，最終破壞時刻底面裂縫分布如圖7所示.

不難看出， UHPC加固方法顯著抑制了裂縫的發(fā)展速度，不僅有效提高了規(guī)范中裂縫寬度關(guān)鍵點(diǎn)的持荷能力，而且顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體的極限承載能力.原因是UHPC加固層本身具有超高的抗壓強(qiáng)度，與密配鋼筋共同受力，在結(jié)構(gòu)整體受彎時，減小了結(jié)構(gòu)受壓區(qū)高度，普通混凝土中上下2層鋼筋均受拉，相比于未加固試驗(yàn)板中單層鋼筋受拉的情況，加固試驗(yàn)板以更小的鋼筋應(yīng)變滿足較大的應(yīng)力要求，所以裂縫寬度發(fā)展受到明顯抑制.

同時，UHPC加固層彈性模量較大，受壓應(yīng)變較小，當(dāng)UHPC加固層和普通混凝土層未產(chǎn)生相對滑移之前，結(jié)構(gòu)截面應(yīng)變基本滿足平截面假定，從而進(jìn)一步減小了底部受拉區(qū)應(yīng)變，降低了裂縫發(fā)展的速度.

2.1.3 荷載跨中底面應(yīng)變曲線

值得一提的是試驗(yàn)板在正彎矩作用下的跨中底面應(yīng)變并沒有隨著荷載的增大而持續(xù)增大.在荷載持續(xù)增長的階段，跨中底面應(yīng)變曲線出現(xiàn)非常明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，應(yīng)變出現(xiàn)一次較為明顯的回縮現(xiàn)象，隨后又隨荷載增大而持續(xù)增長，整條荷載應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“閃電”狀，如圖8所示.

應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖中A點(diǎn)）出現(xiàn)在荷載值為322 kN時，原因是隨著荷載的增加，普通混凝土層全截面受拉，裂縫上下貫通，混凝土失去抗拉承載能力，拉應(yīng)力完全由鋼筋承擔(dān)，鋼筋應(yīng)變和UHPC加固層應(yīng)變差值較大，截面抗剪失效產(chǎn)生相對滑移，同時抗剪栓釘屈服，試驗(yàn)板內(nèi)力重分布形成新的靜力平衡，造成底面應(yīng)變有所減小.

抗剪栓釘在圖中A點(diǎn)屈服，但并未達(dá)到其最大抗剪強(qiáng)度，可以繼續(xù)傳遞剪力，同時由于相對滑移面產(chǎn)生于普通混凝土層，滑移界面粗糙，存在一定的骨料咬合效應(yīng)，加固試驗(yàn)板仍有一定持荷能力，故加固試驗(yàn)板的跨中底面應(yīng)變在經(jīng)歷了一定的回縮之后，繼續(xù)隨荷載增大而增大；此時，UHPC加固層與普通混凝土交界面相對滑移也隨荷載增大而持續(xù)增大；最終加固試驗(yàn)板的破壞形態(tài)為底部受拉鋼筋屈服，整體變形過大而失去承載能力.

2.2 負(fù)彎矩加固試驗(yàn)板

2.2.1 荷載撓度曲線

負(fù)彎矩作用下，加固試驗(yàn)板的荷載跨中撓度曲線與未加固試驗(yàn)板對比如圖9所示.

加固試驗(yàn)板在反向加載的跨中集中荷載作用下，跨中撓度曲線中沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，原因是加載后普通混凝土靠近UHPC加固層存在裂縫，普通混凝土沒有抗拉承載能力，混凝土層不存在開裂后的內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)整體僅UHPC加固層受拉，普通混凝土底層受壓.當(dāng)UHPC加固層開裂后，由于鋼纖維的存在，結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力重分布并不像普通混凝土那樣明顯，故試件整體的跨中撓度曲線并沒有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，負(fù)彎矩試驗(yàn)主要撓度結(jié)果匯總于表4.

荷載保持較低水平時，加固板的撓度相比于未加固板偏大（圖9中A點(diǎn)之前），原因是普通混凝土層存在上下貫通的預(yù)壓裂縫，普通混凝土開裂后，裂面是粗糙的，受壓區(qū)裂縫在閉合過程中，原來拉脫的骨料重新“嵌入”原位而產(chǎn)生一定的摩阻力.同時局部粉碎的顆粒落在裂縫中，由于這些“墊塊”的存在使裂縫提前傳遞壓力[15]，但當(dāng)裂縫完全閉合之前壓應(yīng)力并不能達(dá)到最大值，所以在荷載水平較低時，試驗(yàn)板由于存在裂縫閉合的過程表現(xiàn)出剛度偏低，變形較大；圖中A點(diǎn)以后，加固板的撓度增長速度明顯小于未加固板，隨著荷載持續(xù)增大，荷載撓度曲線的斜率開始降低；因?yàn)殇摾w維逐步退出工作，所以結(jié)構(gòu)的撓度曲線在后期仍沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，斜率為逐漸變化.

初始裂縫產(chǎn)生后試件進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，由于UHPC加固層自身良好的抗拉性能和變形協(xié)調(diào)性能，加固試驗(yàn)板在負(fù)彎矩作用下，表現(xiàn)出更高的剛度和抗彎承載能力，同時由于界面黏接力的作用，UHPC加固層較小的縱向應(yīng)變也抑制了普通混凝土層初始裂縫的進(jìn)一步發(fā)展.

2.2.2 荷載主裂縫寬度曲線

負(fù)彎矩作用下，加固試驗(yàn)板的荷載裂縫寬度曲線如圖10所示.

加固試驗(yàn)板UHPC層頂面最先出現(xiàn)短小橫向可見裂縫，裂縫萌生寬度為0.05 mm，但隨著荷載的增加，裂縫寬度并未擴(kuò)展，僅沿橫向長度擴(kuò)展，開裂應(yīng)力為-16.37 MPa（受拉）；荷載達(dá)到506 kN時，裂縫寬度開始擴(kuò)展，受拉區(qū)平均應(yīng)力水平達(dá)到-30.16 MPa（受拉），由于UHPC加固層中鋼筋網(wǎng)的存在，試件開裂強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗折試塊開裂強(qiáng)度，且裂縫寬度發(fā)展速度緩慢，負(fù)彎矩試驗(yàn)主要裂縫結(jié)果匯總于表5.

隨荷載增大，UHPC加固層頂面相繼出現(xiàn)多條短而小的裂縫，裂縫間距與UHPC加固層中橫向鋼筋間距近似相同，橫向裂縫出現(xiàn)范圍均在跨中40 cm區(qū)域內(nèi)（如圖11所示）.由圖10可以看出，當(dāng)裂縫寬度小于0.23 mm時（圖中A點(diǎn)），主裂縫寬度與荷載關(guān)系近似線性；當(dāng)裂縫寬度大于0.23 mm時，荷載主裂縫寬度曲線斜率雖有變化，但仍保持較大斜率，即裂縫仍保持緩慢發(fā)展；裂縫寬度超過0.38 mm（圖中B點(diǎn)），裂縫寬度曲線出現(xiàn)波動，裂縫發(fā)展進(jìn)入不穩(wěn)定階段，此時主裂縫寬度增速較快，其余裂縫寬度仍緩慢增長，直至試驗(yàn)板主裂縫寬度達(dá)到0.51 mm，判定為破壞.

2.2.3 荷載跨中應(yīng)變曲線

負(fù)彎矩作用下，加固試驗(yàn)板的荷載跨中應(yīng)變曲線與未加固試驗(yàn)板對比如圖12所示.

普通混凝土層受拉應(yīng)變在167 με以下時曲線斜率相對較大，原因是受壓區(qū)存在裂縫閉合過程，其普通混凝土的壓縮應(yīng)變較大，同時UHPC層抗拉剛度較大，對普通混凝土層受拉應(yīng)變的約束較明顯；應(yīng)變水平大于167 με后，隨著UHPC層的開裂，普通混凝土層應(yīng)變曲線斜率出現(xiàn)下降趨勢，但應(yīng)變?nèi)赃h(yuǎn)小于未加固試驗(yàn)板，原因是UHPC加固層中鋼纖維的存在使開裂截面仍可以提供較大拉應(yīng)力，同時UHPC與混凝土界面無相對滑移，有效抑制了普通混凝土原有裂縫的進(jìn)一步發(fā)展；當(dāng)UHPC應(yīng)變首次大于1 400 με后，應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯波動，這是因?yàn)閁HPC層裂縫寬度較大，大量鋼纖維被扯出，UHPC抗拉承載力下降，造成普通混凝土裂縫擴(kuò)展速度加快，同時部分應(yīng)變片由于應(yīng)變過大而失效，故數(shù)據(jù)出現(xiàn)多次波動，試驗(yàn)板也同時進(jìn)入破壞階段.

2.3 試驗(yàn)板破壞形態(tài)

正彎矩作用下加固試驗(yàn)板的最終破壞形態(tài)為：UHPC加固層與普通混凝土交界面出現(xiàn)相對滑移，滑移面出現(xiàn)在普通混凝土部分（如圖13所示），UHPC與普通混凝土黏接面強(qiáng)度未達(dá)到破壞強(qiáng)度，普通混凝土首先剪切破壞；抗剪栓釘屈服，但未被拔出；同時普通混凝土層底部受拉鋼筋屈服，裂縫寬度迅速增大，試驗(yàn)板在荷載不變的情況下，鋼筋應(yīng)變及試驗(yàn)板撓度持續(xù)增大，結(jié)構(gòu)整體不能達(dá)到新的靜力平衡，試驗(yàn)板達(dá)到極限承載力狀態(tài)；但 UHPC加固層未出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，UHPC自身超高的抗壓強(qiáng)度和密實(shí)性，保證了結(jié)構(gòu)整體良好的防水效果和耐久性.

負(fù)彎矩作用下，加固試驗(yàn)板最終破壞形態(tài)為：UHPC加固層頂面主裂縫寬度超過0.5 mm，大于規(guī)范所允許裂縫寬度最大值[16] ，結(jié)構(gòu)整體不再具有防水性能及良好的耐久性；此時， UHPC加固層內(nèi)鋼筋未屈服，UHPC加固層與普通混凝土交界面未出現(xiàn)相對滑移，普通混凝土未出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體仍未達(dá)到極限承載力狀態(tài)，油壓千斤頂荷載達(dá)到峰值1 250 kN.為保證試驗(yàn)安全及精度，本試驗(yàn)不再更換大功率千斤頂進(jìn)行加載，UHPC加固層主裂縫局部如圖14所示.

2.4 主要試驗(yàn)結(jié)果匯總

將3塊試件的主要抗彎試驗(yàn)結(jié)果匯總于表6.未加固試驗(yàn)板在正彎矩加載時，以試驗(yàn)板底面出現(xiàn)第一條肉眼可見裂縫對應(yīng)荷載作為開裂荷載；正彎矩加載時，由于試驗(yàn)板受拉區(qū)混凝土前期已經(jīng)加載至開裂，故正彎矩作用下開裂荷載無明顯意義；負(fù)彎矩加載時，以UHPC加固層頂面率先出現(xiàn)的第一條可見裂縫對應(yīng)的荷載定義為加固結(jié)構(gòu)的開裂荷載.試驗(yàn)中3塊試件所能承受的最大荷載作為極限荷載.

進(jìn)行UHPC棱柱體四點(diǎn)加載抗折試驗(yàn)，棱柱體的配比、澆筑養(yǎng)護(hù)條件與加固試驗(yàn)板相同，測得UHPC彈性極限拉應(yīng)變?yōu)?59～393 με.負(fù)彎矩作用下，試驗(yàn)板UHPC加固層彈性極限拉應(yīng)變?yōu)?84 με，與抗折試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

正彎矩作用下，UHPC加固層受壓，試件整體破壞時，UHPC加固層頂面最大壓應(yīng)變僅為-1 575 με，遠(yuǎn)小于UHPC立方體極限壓應(yīng)變，此處不再進(jìn)行討論.

3 理論分析

3.1 開裂強(qiáng)度分析

為充分利用UHPC極強(qiáng)的耐久性，保證薄層UHPC對箱梁頂板的加固效果，加固工程中需要嚴(yán)格控制UHPC層的開裂.為便于實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可利用負(fù)彎矩試驗(yàn)中測得的開裂荷載Fcr通過反推計(jì)算得到UHPC層的開裂強(qiáng)度fcr.假設(shè)普通混凝土與UHPC層均為理想線彈性材料；試驗(yàn)板由于前期開裂，普通混凝土全截面僅能提供壓應(yīng)力；試驗(yàn)板截面變形分布仍滿足平截面假定；交界面產(chǎn)生裂縫前忽略普通混凝土與UHPC層之間的相對滑移.試驗(yàn)板截面應(yīng)變分布如圖15所示.

開裂最大應(yīng)變以實(shí)測抗折數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，取380 με，薄層UHPC，鋼筋和普通混凝土應(yīng)變均按照平截面假定等比例取值，Es為鋼筋彈性模量，取2.0×105 GPa；Ec為普通混凝土彈性模量，取經(jīng)驗(yàn)值3.55×104 MPa；Euc為薄層UHPC彈性模量，取實(shí)測值4.33×104 MPa；x為受壓區(qū)高度.

式中：σus，Aus分別為薄層UHPC中受拉鋼筋應(yīng)力和應(yīng)變；σu，Au分別為薄層UHPC應(yīng)力和應(yīng)變；σs1，As1分別為普通混凝土上層鋼筋應(yīng)力和應(yīng)變；σs2，As2分別為普通混凝土下層鋼筋應(yīng)力和應(yīng)變；σc，Ac分別為普通混凝土層平均應(yīng)力和應(yīng)變.將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入上述公式，可得到受壓區(qū)高度，進(jìn)而求解開裂彎矩，換算成施加荷載可得理論開裂荷載為508 kN，記為Pnu，與試驗(yàn)結(jié)果Ptu進(jìn)行對比，得到Ptu/Pnu為95.4%，試驗(yàn)實(shí)測值與理論計(jì)算值吻合良好.

正彎矩作用下，普通混凝土層由于前期預(yù)壓裂縫的存在，開裂強(qiáng)度計(jì)算無意義.

3.2 界面失效強(qiáng)度分析

正彎矩作用下，荷載跨中應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖8中A點(diǎn)所示.對A點(diǎn)進(jìn)行分析，假設(shè)A點(diǎn)為栓釘屈服點(diǎn)，本試驗(yàn)中所用栓釘為4.6級螺栓，其屈服應(yīng)力為240 MPa.假設(shè)試驗(yàn)梁普通混凝土與UHPC層均為理想線彈性材料；試驗(yàn)梁普通混凝土全截面不承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力完全由鋼筋承受；試驗(yàn)梁在栓釘達(dá)到屈服前截面變形分布滿足平截面假定，且忽略普通混凝土層與薄層UHPC之間的相對滑移.試驗(yàn)梁截面應(yīng)變分布如圖16所示.

假設(shè)截面最大應(yīng)力為栓釘全部屈服所能承受最大剪力Nv，易知單個栓釘最大剪力為：

試驗(yàn)梁共配77顆抗剪栓釘，跨中一排7顆栓釘不參與抗剪受力，取半跨栓釘個數(shù)為35顆，則nNv=35×31.84 kN=1 114.4 kN；對試驗(yàn)梁分層分析，則有：

式中各參數(shù)含義與上節(jié)相同，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入上述公式，可得到薄層UHPC頂部應(yīng)力為7.66 MPa；普通混凝土層底部受拉鋼筋應(yīng)力為368 MPa，未達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度，假設(shè)成立，栓釘先屈服.

計(jì)算值小于試驗(yàn)值，原因是理論計(jì)算認(rèn)為栓釘屈服后UHPC層與普通混凝土交界面失去抗剪承載能力，但實(shí)際情況為普通混凝土雖然開裂，但其交界面并非完全平滑截面，開裂發(fā)生在普通混凝土一側(cè)，開裂界面存在一定骨料咬合能力，界面相對滑移并不完全類同于鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)，有關(guān)界面相對滑移后的持荷能力有待進(jìn)一步討論.

4 結(jié) 語

本文為探究UHPC加固鋼筋混凝土箱梁頂板的橫向抗彎性能，對3塊足尺箱梁頂板局部模型進(jìn)行加固試驗(yàn)研究，并對其開裂強(qiáng)度和承載能力進(jìn)行分析，得出以下基本結(jié)論：

1）正彎矩作用下，UHPC加固對普通混凝土的開裂強(qiáng)度無明顯影響，但可以明顯提高試件整體剛度；該加固方法可有效控制試件的下?lián)戏群偷撞科胀ɑ炷磷畲罅芽p寬度；加固結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段前栓釘首先屈服，其次底部受拉鋼筋屈服，破壞前有較強(qiáng)延性和明顯形變，破壞形式符合預(yù)期；該加固方法對整體承載能力提高較明顯，相比未加固板提高了27%，并且可以顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的防水性能及耐久性.

2）負(fù)彎矩作用下，試驗(yàn)板的開裂荷載和耐久性完全由UHPC加固層的彎拉強(qiáng)度決定；加固對試件整體的剛度提高非常明顯，荷載作用下?lián)隙仍黾臃浅＞徛?；UHPC加固層可以顯著抑制普通混凝土箱梁頂板初始裂縫的進(jìn)一步發(fā)展；UHPC加固層開裂后，裂縫分布間距與鋼筋間距近似相等；裂縫寬度小于0.23 mm時，最大裂縫寬度與荷載呈線性關(guān)系；裂縫寬度大于0.23 mm時，裂縫寬度曲線斜率緩慢變化；加固對試驗(yàn)板的抗彎承載能力成倍提高.

3）負(fù)彎矩作用下試驗(yàn)板的UHPC層開裂荷載和正彎矩作用下試驗(yàn)板的界面失效荷載均與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好.

4）本文提出的UHPC加固箱梁頂板技術(shù)，施工便捷，加固效果良好，具有較好的工程實(shí)用性.

參考文獻(xiàn)

[1] 卜良桃， 萬長勝， 尹鵬. PVA-ECC加固RC足尺梁受彎性能試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2010， 37（1）：5-10.

BU Liangtao， WAN Changsheng， YIN Peng. Experimental study of full-scale RC beam reinforced by polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite mortar in flexure[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2010， 37（1）：5-10.（In Chinese）

[2] 尚守平，狄國偉，劉君，等. 噴射高性能水泥復(fù)合砂漿混凝土加固石拱橋試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014， 41（9）：1-7.

SHANG Shouping， DI Guowei， LIU Jun， et al. Experimental investigation on stone-arch bridge strengthened with injecting high performance cement composite concrete[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2014， 41（9）：1-7.（In Chinese）

[3] 聶建國，王寒冰，張?zhí)焐?，? 高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)-滲透性聚合砂漿抗彎加固的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2005， 26（2）：1-9.

NIE Jianguo， WANG Hanbing， ZHANG Tianshen， et al. Experimental study on flexural behavior of RC beams strengthened with stainless steel wire mesh and permeability polymer mortar[J]. Journal of Building Structures， 2005， 26（2）：1-9.（In Chinese）

[4] TEMBERGA K. Ultra high performance concrete[J]. Technote， 2011， 19（10）：848-854.

[5] OESTERLEE C. Structural response of reinforced UHPFRC and RC composite members[D].Lausanne：EPFL，2010：1-7.

[6] PREM P R， MURTHY A R， RAMESH G， et al. Flexural behaviour of damaged RC beams strengthened with ultra high performance concrete[J]. Indian Concrete Journal， 2015， 89（1）：60-68.

[7] MAKITA T， BRHWILER E. Tensile fatigue behaviour of ultra-high performance fibre reinforced concrete （UHPFRC）[J]. Materials and Structures， 2014， 47（3）：475-491.

[8] STENGEL T. Effect of surface roughness on the steel fibre bonding in ultra high performance concrete （UHPC）[M]// Nanotechnology in Construction 3. Berlin： Springer， 2009： 371-376.

[9] YUGUANG Y， WALRAVEN J， UIJI J D. Study on bending behavior of an UHPC overlay on a steel orthotropic deck[C]//Proceedings of 2nd International Symposium on Ultra High Performance Concrete.Kassel， Germany：University of Kassel，2008： 639-646.

[10]HABEL K， DENARI E， BRHWILER E. Experimental investigation of composite ultra-high-performance fiber-reinforced concrete and conventional concrete members[J]. ACI Structural Journal， 2007， 104（1）： 93-101.

[11]HABEL K. Structural behaviour of elements combining ultra-high performance fibre reinforced concretes （UHPFRC） and reinforced concrete[D]. Lausanne， Switzerland： Swiss Federal Institute of Technology， 2004：153-156.

[12]李文光，邵旭東，方恒，等. 鋼-UHPC組合板受彎性能的試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報， 2015， 48（11）：93-102.

LI Wenguang， SHAO Xudong， FANG Heng， et al. Experimental study on flexural behavior of steel-UHPC composite slabs[J]. Journal of Civil Engineering，2015，48（11）：93-102.（In Chinese）

[13]卜良桃. 高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固RC梁的性能研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 2006：157-160.

BU Liangtao. Research on the performance of the RC beams strengthened with high performance ferrocement[D]. Changsha： College of Civil Engineering，Hunan University， 2006：157-160. （In Chinese）

[14]AFGC. Ultra high performance fibre-reinforced concretes[S]. Pairs， France： Interim Recommendations， 2013：1-256.

[15]朱伯龍， 吳明舜， 張琨聯(lián). 在周期荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件滯回曲線考慮裂面接觸效應(yīng)的研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報， 1980，8（1）：63-75.

ZHU Bailong， WU Mingshun， ZHANG Kunlian. Under cyclic loading， the hysteretic curve of the reinforced concrete member is considered to consider the contact effect of the crack surface[J].Journal of Tongji University，1980， 8（1）：63-75.（In Chinese）

[16]GB 50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2002：17-18.

GB 50010—2002 Design code for concrete structures[M]. Beijing：China Architecture & Building Press，2002：17-18.（In Chinese）