預(yù)應(yīng)力UHPC加固RC梁抗彎性能試驗研究

張陽，黃松齡，劉穎峰，邵旭東

（湖南大學(xué)風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，湖南長沙 410082）

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一種具有超高力學(xué)性能的新型水泥基復(fù)合材料［1］，由于在開裂后表現(xiàn)出的應(yīng)變硬化行為，其具有遠超普通混凝土（NSC）的超強抗拉韌性［2］.UHPC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，孔隙極少，在耐磨、抗凍融循環(huán)以及抗氯離子侵蝕等耐久性指標上也明顯優(yōu)于普通混凝土［3］.此外，已有研究表明，UHPC與NSC黏結(jié)界面具有較高的抗剪強度，黏結(jié)耐久性良好［4］.因此，UHPC是一種有前景的RC結(jié)構(gòu)修復(fù)材料，具有同步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)增強與耐久防護的潛在優(yōu)勢［5］.

對使用UHPC加固RC 組合構(gòu)件的工作性能，國內(nèi)外已有學(xué)者展開了相應(yīng)研究.Habel 等［6-7］對UHPC-RC 組合構(gòu)件的抗彎性能與時變行為進行了試驗研究，結(jié)果表明UHPC加固層能夠延緩構(gòu)件裂縫的形成與開展，提高構(gòu)件的承載能力，而UHPCRC組合構(gòu)件的時變效應(yīng)主要由UHPC在90 d內(nèi)的自收縮控制，長期荷載作用下UHPC 與RC 表現(xiàn)出良好的幾何相容性.Oesterlee［8］和Safdar等［9］對UHPC-RC疊合梁進行了理論與試驗研究，結(jié)果表明，在UHPC薄層配筋后可明顯提高抗彎加固效果，構(gòu)件抗彎剛度與承載能力隨著UHPC 層厚度以及配筋率的增大而提高.Al-osta 等［10］研究了現(xiàn)澆或膠黏UHPC 條帶加固RC梁的抗彎性能，試驗結(jié)果表明，當對矩形梁進行三面圍套加固時，結(jié)構(gòu)抗彎剛度與承載能力的提升最為顯著，但延性損失也相較嚴重，不同界面黏結(jié)方式對加固梁抗彎性能無明顯影響.張陽等［11-12］對配筋UHPC加固損傷RC梁、板進行了抗彎試驗研究，分析了RC結(jié)構(gòu)損傷程度、UHPC增韌處理方法等參數(shù)對UHPC-RC 組合結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響，研究結(jié)果表明，UHPC 層加固效果隨著RC梁的損傷程度增大而減弱，UHPC增韌后加固梁的抗裂能力和抗彎性能得到進一步提升.

上述研究結(jié)果均驗證了使用UHPC加固RC 結(jié)構(gòu)的有效性.然而，常規(guī)配筋UHPC 層無法改善RC結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，原有損傷裂縫在外荷載作用下易重新開展，對于開裂嚴重、承載能力降低明顯的RC結(jié)構(gòu)而言，其加固效率還有待提高；為此，本文考慮在配筋UHPC層內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力UHPC加固層，以期實現(xiàn)損傷RC 結(jié)構(gòu)更加高效耐久的加固防護.具體方法為采用單根細鋼絞線加小型扁平截面波紋管，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力在UHPC加固薄層中的施加，并對損傷RC 結(jié)構(gòu)表面進行鑿毛刻槽處理，提高UHPC-RC 結(jié)合面黏結(jié)強度［13］，保證預(yù)應(yīng)力UHPC加固的工程可行性.

本文通過四點彎曲試驗研究了預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層加固損傷RC梁的抗彎和抗裂性能，探索分析了配筋UHPC層與預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)組合使用對RC結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響，為預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)在RC 結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)和技術(shù)支持.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及材料特性

RC梁普通混凝土設(shè)計強度等級為C50.加固材料UHPC 主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、混雜鋼纖維以及高效減水劑組成，為提高UHPC 的抗拉韌性，1%直徑為0.12 mm、長8 mm 的短直型鋼纖維與2%直徑為0.20 mm、長13 mm 的端勾型鋼纖維混雜搭配使用.普通混凝土與UHPC 立方體抗壓強度和彈性模量分別按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》（GB∕T 50081—2019）［14］與《活性粉末混凝土》（GB∕T 31387—2015）［15］規(guī)定的標準試驗方法進行測定，UHPC 初裂強度由狗骨頭試件單軸抗拉試驗測定［16］，混凝土材料性能試驗結(jié)果見表1.

表1 混凝土材料性能試驗結(jié)果Tab.1 Mechanical properties of concrete

設(shè)計試驗梁3 根，分別為未加固對照梁（Reinforced Concrete Beam，RCB）、常規(guī)配筋UHPC加固梁（Reinforced-UHPC Strengthened Beam，RUB）、預(yù)應(yīng)力UHPC加固梁（Prestressed-UHPC Strengthened Beam，PUB）.試驗梁主要參數(shù)如圖1 所示，RC梁幾何尺寸為2 800 mm×400 mm×200 mm，凈跨為2 600 mm，梁內(nèi)鋼筋均采用HRB400級普通鋼筋，其中受拉縱筋為3φ18，架立筋為2φ12，箍筋布置情況彎剪段為φ10@60 mm，純彎段為φ10@140 mm.UHPC加固層厚度為50 mm，RUB梁常規(guī)配筋UHPC 層布置3φ12受拉鋼筋（HRB400），PUB梁預(yù)應(yīng)力UHPC 層布置2φ12 受拉鋼筋（HRB400）加單根直線型φ12.7 低松弛1860級預(yù)應(yīng)力鋼絞線.φ12、φ18鋼筋實測屈服強度fy分別為466.7 MPa、435.5 MPa，φ12.7 鋼絞線實測屈服強度fpy為1 781.6 MPa.

圖1 試驗梁幾何尺寸（單位：mm）Fig.1 Geometrical dimensions of test beams（unit：mm）

1.2 加固流程

預(yù)應(yīng)力UHPC 新型橋梁加固技術(shù)，主要針對RC梁截面受拉區(qū)進行加固補強，圖2 所示為預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用示意.

圖2 預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)應(yīng)用示意Fig.2 Application of prestressed UHPC strengthening technology

在實驗室中，RC梁在常溫養(yǎng)護60 d 后，為模擬RC 構(gòu)件在加固前的實際開裂情況，加固之前對RC梁進行了預(yù)壓加載，預(yù)壓至RC梁開裂并出現(xiàn)寬度為0.2 mm 的裂縫后卸載，采用UHPC 進行加固，為保證準確預(yù)壓至目標裂縫寬度，預(yù)壓過程中采用裂縫觀測儀同時測試多條裂縫的寬度變化情況，當其中有一條裂縫寬度達到目標值時立即停止加載.

PUB 試驗梁具體加固工序為：①將預(yù)壓損傷RC梁底面普通混凝土進行鑿毛處理，鑿毛深度為3～5 mm，為避免PUB梁UHPC-RC 界面因預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉發(fā)生剪切破壞，界面端部同時進行了刻槽處理，槽深25 mm，界面處理完成后清理干凈表面殘余混凝土碎渣與灰塵，并保持界面處于濕潤狀態(tài)；②搭設(shè)UHPC加固層模板，布置受拉縱筋和預(yù)應(yīng)力波紋管，其中波紋管截面尺寸為20 mm × 50 mm，與縱筋平行布置，然后在模板內(nèi)澆筑UHPC加固層；③UHPC加固層常溫養(yǎng)護7 d 后，在波紋管預(yù)留孔道內(nèi)穿設(shè)張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，控制應(yīng)力為0.5fpy；通過表貼應(yīng)變片及穿心式壓力傳感器實測得到UHPC加固層跨中底部壓應(yīng)變?yōu)?9 με，鋼絞線有效拉力為80.6 kN；最后在波紋管孔道內(nèi)壓注早強套筒灌漿料，使預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土黏結(jié)成為整體；④加固結(jié)束后進行常溫養(yǎng)護28 d以上直至加載.RUB梁加固工序與PUB梁相同，界面無須進行刻槽處理.RC梁界面處理及UHPC層配筋如圖3所示.

圖3 RC梁界面處理與UHPC層配筋Fig.3 Interface treatment of RC beams and reinforcement of UHPC layer

1.3 試驗加載及測量方案

如圖4 所示，試驗梁采用四點彎曲加載進行抗彎性能測試，純彎段長600 mm，剪跨長1 000 mm.試驗過程中，主要測量并記錄了試驗梁跨中、加載點以及端部支座處的撓度變化情況、彎曲裂縫寬度開展情況、梁內(nèi)受拉縱筋和混凝土的應(yīng)變變化情況以及加固梁UHPC-RC 界面的相對滑移情況.撓度與滑移數(shù)據(jù)的變化均由千分表測得；鋼筋、混凝土應(yīng)變變化由相應(yīng)表貼應(yīng)變計測得，混凝土開裂后名義受拉應(yīng)變由引伸儀測得；裂縫寬度變化由智能裂縫觀測儀（分度值為0.02 mm）進行監(jiān)測.

圖4 加載裝置及測點布置（單位：mm）Fig.4 Test setup and measuring point arrangement（unit：mm）

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞模式及荷載特征值

試驗結(jié)果顯示，所有試驗梁的破壞模式均為傳統(tǒng)的彎曲破壞，即受拉縱筋屈服后，裂縫寬度迅速增大，梁體下?lián)霞觿?，頂部普通混凝土受壓破壞，加固梁破壞過程中還伴隨著鋼纖維從UHPC 基體中拔出的撕扯聲.3 根試驗梁抗彎破壞時梁體變形及裂縫分布情況如圖5 所示，可以看出，未加固RCB梁裂縫總數(shù)量較少，但主裂縫數(shù)量較多，破壞時梁體下?lián)献冃螄乐?；而加固梁（RUB、PUB）由分別在UHPC加固層與RC梁中產(chǎn)生的彎曲裂縫在UHPC-RC界面處貫穿形成單根的彎曲主裂縫，其余RC 裂縫寬度及其平均間距均較小，UHPC 層密集分布多條微裂縫（裂縫寬度＜0.05 mm）.從加固梁的對比來看，PUB梁在預(yù)應(yīng)力的作用下，其抗裂能力及抗彎剛度均進一步提升，破壞時梁體主裂縫寬度以及下?lián)献冃尉黠@小于RUB梁.值得一提的是，加固梁在彎曲荷載作用下均表現(xiàn)出良好的整體工作性能，其中PUB梁UHPCRC 界面黏結(jié)完好，水平裂縫寬度較小，而RUB梁界面在主裂縫局部位置開裂較嚴重，但未造成界面剝離破壞.

圖5 試驗梁破壞模式Fig.5 Failure mode of test beams

試驗梁實測荷載特征值見表2，其中Pcr為試驗梁開裂荷載，Pccr為加固梁RC 裂縫重新張開荷載，Puy、Pcy分別為UHPC 層以及RC梁受拉鋼筋的屈服荷載，Pu為試驗梁峰值荷載.需要說明的是，損傷RC梁在加固后，原有RC 損傷裂縫因UHPC 薄層的約束作用處于閉合狀態(tài)，Pccr即為RC 損傷裂縫重新張開達到可視寬度0.02 mm 時對應(yīng)的荷載值.由表2 可知，與未加固梁RCB 相比，加固梁抗彎性能有明顯提升；其中抗裂能力的提高主要得益于UHPC 層具有超高的初裂強度，在開裂前可承受的彎曲拉應(yīng)力更大，而梁截面高度和配筋率的提升以及UHPC層裂后的應(yīng)變硬化性能使得加固梁獲得了更高的抗彎承載能力.對比不同加固梁的加固效果，在抗裂能力方面，PUB梁在Pcr與Pccr上較RUB梁分別提高了89.2%、67.7%；在屈服荷載以及抗彎承載能力方面，PUB梁 在Puy、Pcy與Pu上較RUB梁分別提高了35.1%、40.9%、36.9%.PUB梁具有更高的抗裂強度是因為截面受拉區(qū)處于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，外荷載在該位置造成的主拉應(yīng)力可由預(yù)壓應(yīng)力部分抵消，即“消壓”過程，延緩了裂縫的形成與開展；同時，預(yù)應(yīng)力鋼絞線遠超普通鋼筋的抗拉性能使得預(yù)應(yīng)力UHPC 層具有更高的拉伸強度和韌性，延緩了結(jié)構(gòu)受拉鋼筋的屈服，并進一步提高了PUB梁的抗彎承載能力.總的來說，PUB梁在抗裂性能與抗彎承載能力方面較RUB梁均有顯著提升，即預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層的加固效率更高.

表2 試驗梁實測荷載特征值Tab.2 Measured characteristic load of test beams kN

2.2 裂縫開展情況

反映各試驗梁抗彎全過程UHPC（RC）裂縫寬度變化的荷載-裂縫寬度曲線如圖6 所示，圖中A點表示混凝土開裂荷載點（Pcr或Pccr），B點表示鋼筋屈服荷載點（Puy或Pcy）.可以看出，加固梁不僅在開裂荷載上較未加固梁RCB 有較大幅度的提升，其裂縫開展速度也明顯較慢.加固梁的彎曲裂縫的開展過程主要經(jīng)歷了兩個階段，階段Ⅰ（A-B）：多重開裂階段，此階段UHPC 層裂縫開展十分緩慢，但豎向彎曲微裂縫數(shù)量卻不斷增多，在加固層鋼筋屈服前，UHPC層各彎曲裂縫開展速度基本保持一致，無明顯的主裂縫出現(xiàn)；此外，多重開裂以及裂后應(yīng)變硬化的特性使得UHPC 層表現(xiàn)出良好的拉伸韌性，約束了RC 受拉區(qū)的拉伸變形，抑制了RC 新的裂縫形成和損傷裂縫的重新開展.PUB梁在此階段裂縫的開展因預(yù)壓應(yīng)力的作用而明顯延緩，其抗裂性能在RUB梁的基礎(chǔ)上得到了進一步提升；階段Ⅱ（B點之后）：裂縫寬度非線性增長階段，UHPC加固層在內(nèi)部受拉鋼筋屈服后對混凝土裂縫寬度的控制能力減弱，UHPC 層多條微裂縫合并形成寬度較大（約為0.20 mm）的彎曲主裂縫，裂縫開展加快.

圖6 荷載-主裂縫寬度曲線Fig.6 Load-width of crack curves

各試驗梁達到特征裂縫寬度時對應(yīng)的荷載值列于表3 中，其中P0.05、P0.10、P0.20分別為最大裂縫寬度達到0.05 mm、0.10 mm、0.20 mm 時對應(yīng)的荷載值.由表3 可知，試驗梁在達到相同特征裂縫寬度時，加固梁承載能力較未加固RCB梁有顯著提升.對比不同加固梁，PUB梁在P0.05、P0.10、P0.20上較RUB梁分別提升了47.9%、67.9%、38.1%，說明預(yù)應(yīng)力UHPC層較常規(guī)配筋UHPC 層具有更強的拉伸韌性，對裂縫開展的抑制能力更強，使得PUB梁在較小的裂縫寬度下獲得了更高的承載能力.

表3 試驗梁特征裂縫寬度荷載值Tab.3 Load value of characteristic cracks width of test beams kN

2.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系

UHPC加固層以及RC梁中受拉鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖7 所示.可以看出，鋼筋應(yīng)變隨荷載變化的過程基本上可以劃分為以下3 個階段.階段Ⅰ：UHPC（RC）開裂前階段（A點之前），此階段UHPC 層以及RC梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力水平較低，應(yīng)變呈線性增長；階段Ⅱ：UHPC（RC）開裂后至鋼筋屈服的AB階段，混凝土開裂后，截面應(yīng)力重分布，受拉鋼筋需要更大的應(yīng)變來承擔彎曲拉應(yīng)力，因此荷載-應(yīng)變曲線在A點出現(xiàn)了第一次轉(zhuǎn)折，鋼筋應(yīng)變增長速度加快；階段Ⅲ：屈服階段，當荷載超過80%極限荷載之后，UHPC層與RC梁受拉鋼筋相繼屈服，應(yīng)變快速增長，曲線逐漸趨于平緩.通過對比加固梁與未加固梁RCB的鋼筋荷載-應(yīng)變曲線可看出，對應(yīng)相同荷載水平，加固梁鋼筋拉應(yīng)變明顯小于RCB梁，究其原因有三點：首先，加固梁截面高度增大，相同荷載作用下，梁底產(chǎn)生拉應(yīng)力較??；其次，截面配筋率提高，使得單根鋼筋所承擔的拉應(yīng)力減??；最后，UHPC 開裂后鋼纖維沒有從基體中立即拔出，加固層由于鋼纖維的橋接作用仍具有一定的抗拉能力，為受拉鋼筋分擔部分彎曲拉應(yīng)力，延緩加固梁截面的應(yīng)力重分布.對比不同加固梁，采用預(yù)應(yīng)力UHPC 層對損傷RC梁加固后，截面受拉區(qū)有一定的預(yù)壓應(yīng)力儲備，在外荷載作用下，梁截面主拉應(yīng)力的減小使鋼筋的應(yīng)力水平也相應(yīng)降低，因此PUB梁中鋼筋應(yīng)變增長較RUB梁更為緩慢.RC 構(gòu)件中受拉鋼筋應(yīng)力水平的降低能有效減小混凝土裂縫寬度，從而提高構(gòu)件的耐久性能.

圖7 荷載-應(yīng)變曲線Fig.7 Load-tensile strain curves

RUB梁與PUB梁UHPC加固層開裂應(yīng)變（對應(yīng)開裂荷載Pcr）實測值分別為150.5 με 和237.3 με，后者較前者提高了57.7%，直觀地體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力對UHPC加固層抗裂強度的提升作用.值得一提的是，RUB梁UHPC加固層開裂應(yīng)變乘以實測彈性模量（見表1）所得開裂應(yīng)力為6.6 MPa，小于UHPC 實測初裂強度（見表1），這可解釋為UHPC-RC加固梁為新老混凝土組合結(jié)構(gòu)，后澆UHPC 硬化過程中的收縮變形受到了RC梁的約束作用，致使加固層產(chǎn)生了一定的約束收縮附加拉應(yīng)力，消耗了UHPC 的抗拉性能，導(dǎo)致了UHPC加固層開裂應(yīng)力的降低.

2.4 撓度及延性

各試驗梁荷載-跨中撓度曲線如圖8 所示.從圖中可以看出，在加載前期（A點之前），加固梁受二次受力影響，撓度略小于未加固梁RCB.梁體開裂后（A點之后），RCB梁剛度明顯下降，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，而加固梁基本保持為線彈性工作狀態(tài)，且撓度遠大于RCB梁，這是因為配筋UHPC 層不僅提高了加固梁截面抗彎慣性矩，且UHPC 開裂后仍能保持較高的抗拉強度（應(yīng)變硬化現(xiàn)象），加固梁截面剛度得以維持.對比不同加固梁，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層中高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線的存在使得PUB梁截面抵抗彎矩的能力進一步增強，且混凝土裂縫在預(yù)應(yīng)力作用下開展也較緩慢，較小的裂縫寬度也抑制了梁體的轉(zhuǎn)動變形，在荷載-跨中撓度曲線上表現(xiàn)為撓度的提高.隨著RC梁內(nèi)受拉縱筋的屈服（B點），各試驗梁撓度均明顯降低，荷載-跨中撓度曲線出現(xiàn)明顯的屈服轉(zhuǎn)折點，下?lián)献冃渭涌?；在達到峰值荷載（C點）后，試驗梁承載能力下降，下?lián)献冃渭觿。€進入下降段.

圖8 荷載-跨中撓度曲線Fig.8 Load-midspan deflection curves

試驗梁位移延性性能可采用構(gòu)件塑性變形能力來反映，用延性系數(shù)μ（μ=Δu∕Δy）進行定量評估［17］，其中Δy為RC受拉鋼筋屈服時所對應(yīng)的跨中位移，Δu為試驗梁承載能力下降至85%Pu時對應(yīng)的跨中位移；試驗梁實測Δy、Δu以及計算所得延性系數(shù)μ列于表4 中，其中γ為各試驗梁與RCB梁延性系數(shù)μ之比.試驗結(jié)果顯示，RC梁在使用UHPC 薄層加固后塑性變形能力稍有下降，RUB、PUB梁延性性能分別降至RCB梁的96.1%、86.9%.其中PUB梁延性損失相對較大的原因在于預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層具有較強的抗拉韌性，在受拉縱筋屈服之后，加固梁純彎段裂縫寬度較小，且只形成單根主裂縫，與其余試驗梁數(shù)量多、寬度大的彎曲裂縫相比，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層較強的拉伸性能和數(shù)量較少、寬度較小的彎曲裂縫降低了PUB梁截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動變形能力，從而造成了結(jié)構(gòu)延性的損失.

表4 試驗梁位移延性Tab.4 Deflection ductility of test beams

2.5 UHPC-RC界面相對滑移

UHPC-RC加固組合構(gòu)件在發(fā)生彎曲變形時，因UHPC 與普通混凝土之間彈性模量的差異，UHPC 層與RC梁在界面處產(chǎn)生了彎拉變形差，導(dǎo)致UHPCRC 界面發(fā)生相對滑移.加固梁UHPC-RC 界面相對滑移量實測結(jié)果表明，剪跨位置處界面相對滑移量最大，圖9 所示為加固梁實測荷載-滑移曲線，試驗過程中測得RUB 與PUB梁界面水平開裂荷載分別為203.3 kN、310.5 kN（如圖9 中A點所示）.可以看出，水平裂縫出現(xiàn)之前，界面相對滑移增長較緩慢，而PUB梁截面剛度較RUB梁更大，在同等荷載作用下，PUB梁體彎曲變形較小，UHPC層與RC梁界面處的彎拉變形差也相應(yīng)較小，因此UHPC-RC 界面的相對滑移也更小.界面沿水平方向開裂后，相對滑移加快，但因水平裂縫僅在局部位置出現(xiàn)，且開展較慢，故直至構(gòu)件進入極限狀態(tài)后，界面相對滑移也沒有進一步加劇，在整個受力過程中，加固梁（RUB、PUB）UHPC層與RC梁黏結(jié)較完好，無剝離破壞發(fā)生，RUB與PUB梁界面最大相對滑移分別為0.181 mm、0.201 mm.總的來說，在對RC梁加固面進行鑿毛處理后，UHPC-RC界面具有足夠的黏結(jié)強度，保證預(yù)應(yīng)力UHPC層加固RC構(gòu)件后具有良好的整體工作性能.

圖9 荷載-滑移曲線Fig.9 Load-slippage curves

3 極限抗彎承載力計算

3.1 材料本構(gòu)模型

在PUB加固梁極限抗彎承載力計算中，各材料的本構(gòu)關(guān)系選擇如下：①加固層UHPC 具有裂后應(yīng)變硬化特性，配筋UHPC 極限拉伸應(yīng)變εuu可達0.225%～0.261%［18］，超過了普通鋼筋的屈服應(yīng)變（0.2%）.因此，理論計算應(yīng)考慮UHPC 裂后應(yīng)變硬化行為，假定UHPC 初裂強度fut（見表1）與極限抗拉強度fuu相同，采用雙折線模型模擬UHPC 受拉本構(gòu)關(guān)系，UHPC 受拉本構(gòu)關(guān)系如圖10所示.②普通混凝土采用規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）［19］所給出的本構(gòu)模型.③加固梁中鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉、壓本構(gòu)關(guān)系均采用理想的彈塑性雙折線模型，即達到屈服強度后，應(yīng)變繼續(xù)增長而應(yīng)力保持不變.

圖10 UHPC受拉本構(gòu)模型Fig.10 Tension constitutive model of UHPC

3.2 抗彎承載力計算

PUB加固梁極限抗彎承載力計算模型如圖11所示，對于極限狀態(tài)下的PUB加固梁，受壓區(qū)普通混凝土已進入塑性狀態(tài)，計算模型中將受壓區(qū)混凝土應(yīng)力分布等效簡化為矩形，認為受壓區(qū)混凝土均勻達到其抗壓強度fc，同時極限狀態(tài)下普通鋼筋（預(yù)應(yīng)力鋼絞線）分別已達到其屈服強度fy（fpy）.根據(jù)圖10 所示的UHPC受拉本構(gòu)關(guān)系，在極限狀態(tài)下UHPC加固層未破壞失效，仍處于裂后應(yīng)變硬化階段，其抗拉能力保持在開裂強度fut不變，并假設(shè)拉應(yīng)力沿UHPC厚度方向均勻分布.

圖11 PUB加固梁極限抗彎承載力計算模型Fig.11 Analytical model of ultimate flexural capacity of PUB

根據(jù)圖11 所示計算模型，混凝土受壓區(qū)高度x可通過截面靜力平衡關(guān)系求得，然后由對受壓鋼筋合力點取矩之和為零的平衡條件可得到加固梁極限抗彎承載力M，計算公式如下：

式中：hc、hu、h分別為原RC梁截面、UHPC加固層以及PUB加固梁組合截面的高度；as為RC梁受拉縱筋截面重心至RC梁底距離；a's為RC梁受壓縱筋截面重心至RC梁頂距離；au為加固層受拉鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線重心至PUB加固梁梁底距離；Ast、Asc分別為RC梁受拉縱筋與受壓縱筋的截面面積；Asu、Ap分別為UHPC加固層受拉縱筋與預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積；Au為UHPC加固層截面面積.

將PUB加固梁各項數(shù)據(jù)代入上述公式后求得極限承載彎矩，換算成施加荷載為528.6 kN，記為Pcu，與試驗實測值Pu進行對比，得到Pcu∕Pu為94.9%，理論計算值與試驗結(jié)果吻合良好，且小于試驗實測值，計算結(jié)果偏安全.

4 結(jié)論

為探究預(yù)應(yīng)力UHPC加固損傷RC梁的抗彎性能，對加固技術(shù)分別為常規(guī)配筋UHPC 薄層、預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層的2 根RC加固梁（RUB、PUB）以及1 根未加固RC 對照梁進行了抗彎試驗研究，并對預(yù)應(yīng)力UHPC加固梁極限承載能力進行了理論分析，得出以下基本結(jié)論：

1）未加固梁與加固梁均表現(xiàn)為傳統(tǒng)的彎曲破壞；損傷RC梁在使用UHPC加固后，抗裂強度與抗彎承載能力均明顯提升.其中預(yù)應(yīng)力UHPC 層加固效率更高，與RUB加固梁相比，PUB加固梁在開裂荷載以及抗彎極限承載能力上分別提升了89.2%、36.9%.

2）預(yù)應(yīng)力UHPC加固層主動改善了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部受拉鋼筋的應(yīng)力水平的同時也延緩了裂縫的形成與開展，與未加固RC 對照梁和RUB加固梁相比，PUB加固梁在較小的裂縫寬度狀態(tài)下獲得了更高的承載能力.

3）損傷RC梁在使用預(yù)應(yīng)力UHPC 層加固后，梁體下?lián)献冃蔚玫搅烁鼮橛行У目刂?，抗彎剛度較RUB加固梁進一步增大，但其塑性變形能力下降，造成了一定的延性損失.

4）RC梁加固面在經(jīng)鑿毛處理后，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層與RC梁界面間的黏結(jié)性能優(yōu)異.在試驗過程中，PUB加固梁界面相對滑移很小，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好.

5）提出了PUB加固梁極限抗彎承載力計算公式，理論計算值與試驗實測值吻合良好，計算結(jié)果偏安全.

6）配筋UHPC 與預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的組合使用使其加固效率較常規(guī)配筋UHPC 層大幅提高，更加高效地改善了RC結(jié)構(gòu)在使用階段的工作性能.