預(yù)應(yīng)力UHPC加固RC梁抗彎性能試驗(yàn)研究

張陽(yáng) 黃松齡 劉穎峰 邵旭東

摘 要：提出了預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)損傷 RC 結(jié)構(gòu)更加高效耐久的加固防護(hù).為研究該加固技術(shù)對(duì)RC 梁抗彎性能的影響和作用，對(duì)加固層分別為常規(guī)配筋UHPC層、預(yù)應(yīng)力UHPC層的2 根損傷 RC 加固梁（Reinforced-UHPCStrengthened Beam，RUB和Prestressed-UHPCStrengthened Beam，PUB）以及1根未加固 RC對(duì)比梁（Reinforced Concrete Beam，RCB）進(jìn)行了正截面抗彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：試驗(yàn)梁均表現(xiàn)為傳統(tǒng)的彎曲破壞，損傷 RC 梁加固后抗 彎性能較未加固梁有顯著提升;其中預(yù)應(yīng)力UHPC層加固效率明顯高于常規(guī)配筋UHPC層，預(yù) 應(yīng)力UHPC加固層改善了結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)一步抑制了裂縫的形成與開(kāi)展;此外，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層更為出色的拉伸性能使得 RC 梁的抗彎剛度和極限承載力得到更為明顯的提升.PUB加固梁在開(kāi)裂荷載以及抗彎極限承載能力上較RUB加固梁分別提升了89.2%、36.9%.同時(shí)提出了預(yù)應(yīng)力UHPC加固梁極限承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土;RC 梁;加固;預(yù)應(yīng)力;抗彎性能

中圖分類號(hào)：U443.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Flexural Behavior of RC Beams Strengthened with Prestressed Ultra-high Performance Concrete

ZHANG Yang?，HUANG Songling，LIU Yingfeng，SHAO Xudong?? （Key Laboratory of Wind and Bridge Engineering of Hunan Province，Hunan University，Changsha410082，China）

Abstract：PrestressedUHPCstrengthening technology was proposed to achieve amore efficient and durable strengthening for damaged RC structures.In order to investigate the effect of prestressedUHPCstrengthening tech-nology on flexural behavior of RC beams， normal section bending tests were carried out on two damaged RC strength-ened beams（Reinforced-UHPCStrengthened Beam，RUB and Prestressed-UHPCStrengthenedBeam，PUB）and one unstrengthened contrast RC beam（Reinforced Concrete Beam，RCB）.Among strengthened beams， RUB was strengthened by the reinforcedUHPClayer， and PUB was strengthened by the prestressedUHPClayer.The experi-mental results showed that all test beams showed conventional bending failure， and the flexural behavior of RC beams was significantly improved after being strengthened.The flexural strengthening efficiency of the prestressedUHPClayer was higher than that of the reinforcedUHPClayer.The prestressedUHPClayer improved the stress state of the structure and further inhibited the formation and development of cracks.In addition， the better tensile performance of the prestressedUHPClayermade the flexural stiffness and ultimate bearing capacity of RC beams further improved.Compared with RUB， the cracking load and ultimate bearing capacity of PUB were increased by 89.2% and36.9%，respectively.Also， a calculation formula of ultimate bearing capacity of prestressedUHPCstrengthened beamwas proposed， and the calculation results were in good agreement with the experimental results.

Key words：Ultra-high Performance Concrete（UHPC）;RC beam;strengthening;prestressed;flexural behavior

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Con-crete，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(kāi)裂后表現(xiàn)出的應(yīng)變硬化行為，其具有遠(yuǎn) 超 普 通 混凝 土（NSC）的超 強(qiáng) 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(biāo)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與耐久防護(hù)的潛在優(yōu)勢(shì)[5].

對(duì)使用UHPC加固 RC組合構(gòu)件的工作性能，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者展開(kāi)了相應(yīng)研究.Habel 等[6-7]對(duì)UHPC-RC組合構(gòu)件的抗彎性能與時(shí)變行為進(jìn)行了試驗(yàn)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(kāi)展，提高構(gòu)件的承載能力，而UHPC-RC組合構(gòu)件的時(shí)變效應(yīng)主要由UHPC在90 d內(nèi)的自收縮控制，長(zhǎng)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(duì)UHPC-RC 疊合梁進(jìn)行了理論與試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)矩形梁進(jìn)行三面圍套加固時(shí)，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(yán)重，不同界面黏 結(jié)方式對(duì)加固梁抗彎性能無(wú)明顯影響.張陽(yáng)等[11-12]對(duì)配筋UHPC加固損傷 RC梁、板進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)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(duì)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(jìn)一步提升.

上述研究結(jié)果均驗(yàn)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(wú)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(kāi)展，對(duì)于開(kāi)裂嚴(yán)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(shí)現(xiàn)損傷 RC結(jié)構(gòu)更加高效耐久的加固防 護(hù).具體方法為采用單根細(xì)鋼絞線加小型扁平截面波紋管，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力在UHPC加固薄層中的施加，并對(duì)損傷 RC 結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行鑿毛刻槽處理，提高UHPC-RC結(jié)合面黏結(jié)強(qiáng)度[13]，保證預(yù)應(yīng)力UHPC加固的工程可行性.

本文通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(duì)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(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)及材料特性

RC梁普通混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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0.12mm、長(zhǎng)8mm的短直型鋼纖維與2% 直徑為0.20mm、長(zhǎng)13mm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(qiáng)度和彈性模量分別按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法 標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）[14]與《活性粉末混凝土》（GB/T31387—2015）[15]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，UHPC初裂強(qiáng)度由狗骨頭試件單軸抗拉試驗(yàn)測(cè)定[16]，混凝土材料性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

設(shè)計(jì)試驗(yàn)梁3根，分別為未加固對(duì)照梁（Rein-forced Concrete Beam，RCB）、常規(guī)配筋UHPC加固梁（Reinforced-UHPCStrengthened Beam，RUB）、預(yù) 應(yīng)力UHPC加固 梁（Prestressed-UHPCStrengthened Beam，PUB）.試驗(yàn)梁主要參數(shù)如圖1所示，RC梁幾 何尺寸為2 800mm×400mm×200mm，凈跨為2 600mm，梁內(nèi)鋼筋均采用HRB400 級(jí)普通鋼筋，其中受拉 縱筋為3?18，架立筋為2?12，箍筋布置情況彎剪段為?10@60mm，純彎段為?10@140mm.UHPC加固層厚 度為50mm，RUB 梁常 規(guī) 配 筋UHPC層布 置3?12 受拉鋼筋（HRB400），PUB 梁預(yù)應(yīng)力UHPC層布 置2?12 受拉鋼筋（HRB400）加單根直線型?12.7低松弛1860 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線.?12、?18鋼筋實(shí)測(cè)屈服 強(qiáng)度f(wàn)y分別為466.7mPa、435.5mPa，?12.7鋼絞線實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度f(wàn)py為1781.6mPa.

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(duì)RC 梁截面受拉區(qū)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，圖2所示為預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用示意.

在實(shí)驗(yàn)室中，RC 梁在常溫養(yǎng)護(hù) 60 d后，為模擬 RC構(gòu)件在加固前的實(shí)際開(kāi)裂情況，加固之前對(duì)RC 梁進(jìn)行了預(yù)壓加載，預(yù)壓至 RC 梁開(kāi)裂并出現(xiàn)寬度為0.2mm的裂縫后卸載，采用UHPC進(jìn)行加固，為保證 準(zhǔn)確預(yù)壓至目標(biāo)裂縫寬度，預(yù)壓過(guò)程中采用裂縫觀測(cè)儀同時(shí)測(cè)試多條裂縫的寬度變化情況，當(dāng)其中有一條裂縫寬度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)立即停止加載.

PUB 試驗(yàn)梁具體加固工序?yàn)椋孩賹㈩A(yù)壓損傷 RC 梁底面普通混凝土進(jìn)行鑿毛處理，鑿毛深度為3～5mm，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(shí)進(jìn)行了刻槽 處理，槽深25mm，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(rùn)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20mm×50mm，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(hù) 7d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(guò)表貼應(yīng)變片及穿心式壓力傳感器實(shí)測(cè)得到UHPC加固層跨中底部壓應(yīng)變?yōu)?9 ?ε，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(qiáng)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(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù) 28 d以上直至加載.RUB 梁加固工序與PUB梁相同，界面無(wú)須進(jìn)行刻槽處理.RC 梁界面處理及UHPC層配筋如圖3所示.

1.3試驗(yàn)加載及測(cè)量方案

如圖4所示，試驗(yàn)梁采用四點(diǎn)彎曲加載進(jìn)行抗 彎性能測(cè)試，純彎段長(zhǎng)600mm，剪跨長(zhǎng)1000mm.試 驗(yàn)過(guò)程中，主要測(cè)量并記錄了試驗(yàn)梁跨中、加載點(diǎn)以及端部支座處的撓度變化情況、彎曲裂縫寬度開(kāi)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(duì)滑移情況.撓度與滑 移數(shù)據(jù)的變化均由千分表測(cè)得;鋼筋、混凝土應(yīng)變變化由相應(yīng)表貼應(yīng)變計(jì)測(cè)得，混凝土開(kāi)裂后名義受拉 應(yīng)變由引伸儀測(cè)得;裂縫寬度變化由智能裂縫觀測(cè)儀（分度值為0.02mm）進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1破壞模式及荷載特征值

試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有試驗(yàn)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。敳科胀ɑ炷潦軌浩茐?，加?梁破壞過(guò)程中還伴隨著鋼纖維從UHPC基體中拔出的撕扯聲.3根試驗(yàn)梁抗彎破壞時(shí)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(shí)梁體下?lián)献冃螄?yán)重;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<0.05mm）.從加固梁的對(duì)比來(lái)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(jìn)一步提 升，破壞時(shí)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UHPC-RC 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(kāi)裂較嚴(yán)重，但未造成界面剝 離破壞.

試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)荷載特征值見(jiàn)表2，其中Pcr為試驗(yàn) 梁開(kāi)裂荷載，Pccr為加固梁RC 裂縫重新張開(kāi)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(yàn)梁峰值荷載.需要說(shuō)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(kāi)達(dá)到可視寬度0.02mm時(shí)對(duì)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(qiáng)度，在開(kāi)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(duì)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(qiáng)度是因?yàn)榻孛媸芾瓍^(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(guò)程，延緩了裂縫的形成與開(kāi)展;同時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線遠(yuǎn)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(qiáng)度和韌性，延緩了結(jié)構(gòu)受拉鋼筋的屈服，并進(jìn)一步提高了PUB 梁的抗彎承載能力.總的來(lái)說(shuō)，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.

2.2 裂縫開(kāi)展情況

反映各試驗(yàn)梁抗彎全過(guò)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(diǎn)表示混凝土開(kāi)裂荷載點(diǎn)（Pcr 或 Pccr），B 點(diǎn)表示鋼筋屈服 荷載點(diǎn)（Puy 或 Pcy）.可以看出，加固梁不僅在開(kāi)裂荷 載上較未加固梁RCB有較大幅度的提升，其裂縫開(kāi) 展速度也明顯較慢.加固梁的彎曲裂縫的開(kāi)展過(guò)程主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段，階段Ⅰ（A-B）：多重開(kāi)裂階段，此階段UHPC層裂縫開(kāi)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(kāi)展速度基本保持一致，無(wú)明顯的主裂縫出現(xiàn);此外，多重開(kāi)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(kāi)展.PUB梁在此階段裂縫的開(kāi)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(jìn)一步提升 ;階段Ⅱ（B 點(diǎn) 之后）：裂縫寬度非線性增長(zhǎng)階段，UHPC加固層在內(nèi)部受拉鋼筋屈服后對(duì)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0.20mm）的彎曲主裂縫，裂縫開(kāi)展加快.

各試驗(yàn)梁達(dá)到特征裂縫寬度時(shí)對(duì)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(dá)到0.05mm、0.10mm、0.20mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值.由表3可知，試驗(yàn)梁在達(dá)到相同特征裂縫寬度時(shí)，加固梁承載能力較未加固 RCB梁有顯著提升.對(duì)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(shuō)明預(yù)應(yīng)力UHPC層較常規(guī)配筋UHPC層具有更強(qiáng)的拉伸韌性，對(duì)裂縫開(kāi) 展的抑制能力更強(qiáng)，使得 PUB 梁在較小的裂縫寬度下獲得了更高的承載能力.

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(guò)程基 本 上可以劃分為以下3個(gè)階段.階段Ⅰ ：UHPC（RC）開(kāi)裂前階段（A 點(diǎn)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(zhǎng);階段Ⅱ：UHPC（RC）開(kāi)裂后至鋼筋屈服的AB 階段，混凝土開(kāi)裂后，截面應(yīng)力重分布，受拉鋼筋需要更大的應(yīng)變來(lái)承擔(dān)彎曲拉應(yīng)力，因此荷載-應(yīng)變曲線在A 點(diǎn)出現(xiàn)了第一次轉(zhuǎn)折，鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快;階段Ⅲ：屈服階段，當(dāng)荷載超過(guò)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(zhǎng)，曲線 逐漸趨于平緩.通過(guò)對(duì)比加固梁與未加固梁RCB的鋼筋荷載-應(yīng)變曲線可看出，對(duì)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(diǎn)： 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)力較小;其次，截面配筋率提高，使得單根鋼筋所承擔(dān)的拉應(yīng)力減小;最后，UHPC開(kāi)裂后鋼纖 維沒(méi)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(dān)部分彎曲拉應(yīng)力，延緩加固梁截面的應(yīng)力重分布.對(duì)比不同加固梁，采用預(yù)應(yīng)力UHPC層對(duì)損傷 RC 梁加固后，截面受拉區(qū)有一定的預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)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?cè)鲩L(zhǎng)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.

RUB 梁與PUB 梁UHPC加固層開(kāi)裂應(yīng)變（對(duì)應(yīng)開(kāi)裂荷載 Pcr）實(shí)測(cè)值分別為150.5 ?ε和237.3 ?ε，后者較前者 提高了57.7%，直觀 地 體 現(xiàn)了預(yù) 應(yīng)力對(duì)UHPC加固層抗裂強(qiáng)度的提升作用.值得一提的是，RUB 梁UHPC加固層開(kāi)裂應(yīng)變乘以實(shí)測(cè)彈性模量（見(jiàn)表1）所得開(kāi)裂應(yīng)力為6.6mPa，小于UHPC實(shí)測(cè)初裂強(qiáng)度（見(jiàn)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(guò)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(kāi)裂應(yīng)力的降低.

2.4撓度及延性

各試驗(yàn)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(diǎn)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(kāi)裂后（A 點(diǎn)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(yuǎn)大于RCB 梁，這是因?yàn)榕浣頤HPC層不僅提高了加固梁截面抗彎慣性矩，且UHPC開(kāi)裂后仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度（應(yīng)變硬化現(xiàn)象），加固梁截面剛度得以維 持.對(duì)比不同加固梁，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層中高強(qiáng) 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(jìn)一步增強(qiáng)，且混凝土裂縫在預(yù)應(yīng)力作用下開(kāi)展 也較緩慢，較小的裂縫寬度也抑制了梁體的轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)），各試驗(yàn)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(diǎn)，下?lián)献冃渭涌?在達(dá)到峰值荷載（C 點(diǎn)）后，試驗(yàn)梁承載能力下降，下?lián)献冃渭觿?，曲線進(jìn)入下降段.

試驗(yàn)梁位移延性性能可采用構(gòu)件塑性變形能力來(lái)反映，用延性系數(shù)μ（μ = Δ u /Δy）進(jìn)行定量評(píng)估[17]，其中Δy為RC 受拉鋼筋屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的跨中位移，Δ u 為試驗(yàn)梁承載能力下降至 85%Pu時(shí)對(duì)應(yīng)的跨中位移;試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)Δy、Δ u以及計(jì)算所得延性系數(shù)μ 列于表4中，其中γ為各試驗(yàn)梁與RCB 梁延性系數(shù)μ 之 比.試驗(yàn)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(duì)較大的原因在于預(yù)應(yīng)力UHPC薄層具有較強(qiáng)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(yàn)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(qiáng)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(dòng)變形能力，從而造成了結(jié)構(gòu)延性的損失.

2.5UHPC-RC界面相對(duì)滑移

UHPC-RC加固組合構(gòu)件在發(fā)生彎曲變形時(shí)，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UHPC-RC界面發(fā)生相對(duì)滑移.加固梁UHPC-RC界面相對(duì)滑移量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，剪跨位置處界面相對(duì)滑移量 最大，圖9所示為加固梁實(shí)測(cè)荷載-滑移曲線，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得 RUB 與PUB 梁界面水平開(kāi)裂荷載分別為203.3 kN、310.5kN（如圖9中A點(diǎn)所示）.可以看 出，水平裂縫出現(xiàn)之前，界面相對(duì)滑移增長(zhǎng)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(duì)滑移也更小.界面沿水平方向開(kāi)裂后，相對(duì)滑移 加快，但因水平裂縫僅在局部位置出現(xiàn)，且開(kāi)展較慢，故直至構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)后，界面相對(duì)滑移也沒(méi)有進(jìn)一步加劇，在整個(gè)受力過(guò)程中，加固梁（RUB、PUB）UHPC層與RC梁黏結(jié)較完好，無(wú)剝離破壞發(fā)生，RUB與PUB梁界面最大相對(duì)滑移分別為0.181mm、0.201mm.總的來(lái)說(shuō)，在對(duì)RC梁加固面進(jìn)行鑿毛處理后，UHPC-RC界面具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)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.

3 極限抗彎承載力計(jì)算

3.1材料本構(gòu)模型

在PUB 加固梁極限抗彎承載力計(jì)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?chǔ)舥u可達(dá)0.225%～0.261%[18]，超過(guò)了普通鋼筋的屈服應(yīng)變（0.2%）.因此，理論計(jì)算應(yīng)考慮UHPC裂后應(yīng)變硬化 行為，假定UHPC初裂強(qiáng)度f(wàn)ut（見(jiàn)表1）與極限抗拉強(qiáng) 度f(wàn)uu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(jì)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(dá)到屈服強(qiáng)度后，應(yīng)變繼續(xù)增長(zhǎng)而應(yīng)力保持不變.

3.2 抗彎承載力計(jì)算

PUB加固梁極限抗彎承載力計(jì)算模型如圖11所示，對(duì)于極限狀態(tài)下的PUB加固梁，受壓區(qū)普通混凝 土已進(jìn)入塑性狀態(tài)，計(jì)算模型中將受壓區(qū)混凝土應(yīng)力分布等效簡(jiǎn)化為矩形，認(rèn)為受壓區(qū)混凝土均勻達(dá) 到其抗壓強(qiáng)度f(wàn)c，同時(shí)極限狀態(tài)下普通鋼筋（預(yù)應(yīng)力鋼絞線）分別已達(dá)到其屈服強(qiáng)度f(wàn)y（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(kāi)裂強(qiáng)度f(wàn)ut不變，并假設(shè)拉應(yīng)力沿UHPC厚度方向均勻分布.

根據(jù)圖11所示計(jì)算模型，混凝土受壓區(qū)高度x可通過(guò)截面靜力平衡關(guān)系求得，然后由對(duì)受壓鋼筋合力點(diǎn)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(jì)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(xiàng)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(yàn)實(shí)測(cè)值 Pu進(jìn)行對(duì)比，得到 Pcu/Pu為94.9%，理 論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，且小于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，計(jì)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(duì)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(duì)照梁進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)研究，并對(duì)預(yù)應(yīng)力UHPC加固梁極限承載能力進(jìn)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(qiáng)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(kāi)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(dòng)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(shí)也 延緩了裂縫的形成與開(kāi)展，與未加固 RC對(duì)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目刂疲箯潉偠容^RUB加固梁進(jìn)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(yàn)過(guò)程中，PUB加固梁界面相對(duì)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(jì)算公 式，理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好，計(jì)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.

參考文獻(xiàn)

[1]陳寶春，季韜，黃卿維，等.超高性能混凝土研究綜述[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，31（3）：1-24.

CHEN B C，JI T，HUANG Q W，et al.Review of research on ultra-high performance concrete[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2014，31（3）：1-24.（In Chinese）

[2]張哲，邵旭東，李文光，等.超高性能混凝土軸拉性能試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（8）：50-58.

ZHANG Z，SHAO X D，LI W G，et al.Axial tensile behavior test of ultra high performance concrete[J].China Journal of Highway and Transport，2015，28（8）：50-58.（In Chinese）

[3]GRAYBEALB， ?TANESI J. Durabilityof anultrahigh-

performance concrete[J].Journal ofmaterials in Civil Engineer-ing，2007，19（10）：848-854.

[4]TAYEH B A，ABU BAKAR B H，MEGAT JOHARImA，et al.Mechanical and permeability properties of the interface betweennormal concrete substrate and ultra high performance fiber con-crete overlay[J].Construction and Buildingmaterials，2012，36： 538-548.

[5]BR?HWILER E，DENARI? E.Rehabilitation and strengtheningof concrete structures using ultra-high performance fibre rein-forced concrete[J].Structural Engineering International，2013，23（4）：450-457.

[6]HABEL K，DENARI? E，BR?HWILER E.Experimental investi-gation of composite ultra-high-performance fiber-reinforced con-crete and conventional concretemembers[J].ACI Structural Jour-nal，2007，104（1）：93-101.

[7]HABEL K，DENARI? E，BR?HWILER E.Time dependent be-havior of elements combining ultra-high performance fiber rein-forced concretes（UHPFRC）and reinforced concrete[J].materi-als and Structures，2006，39（5）：557-569.

[8]OESTERLEE C.Structural response of reinforced UHPFRC andRC compositemembers[D].Switzerland：?cole Polytechnique Fédérale de Lausanne，2010：115-117.

[9]SAFDARm，MATSUMOTO T，KAKUMA K.Flexural behavior ofreinforced concrete beams repaired with ultra-high performance fi-ber reinforced concrete（UHPFRC）[J].Composite Structures，2016，157：448-460.

[10] AL-OSTAmA，ISAmN，BALUCHmH，et al.Flexural behav-ior of reinforced concrete beams strengthened with ultra-high per-formance fiber reinforced concrete[J].Construction and Buildingmaterials，2017，134：279-296.

[11] 張陽(yáng)，黨祺，穆程.UHPC加固箱梁頂板受彎性能試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，44（3）：8-18.

ZHANG Y，DANG Q，MU C.Experimental study on flexural be-havior of top deck of box girder strengthened with ultra high perfor-mance concrete[J].Journal of Hunan University（Natural Sci-ences），2017，44（3）：8-18.（In Chinese）

[12] ZHANG Y，LI X L，ZHU Y P，et al.Experimental study on flex-ural behavior of damaged reinforced concrete（RC）beamstrength-ened by toughness-improved ultra-high performance concrete（UHPC）layer[J].Composites Part B：Engineering，2020，186：107834.

[13] ZHANG Y，ZHANG C Y，ZHU Y P，et al.An experimental study：various influence factors affecting interfacial shear performance ofUHPC-NSC[J].Construction and Buildingmaterials，2020，236：117480.

[14] 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019：18-25.

Standard for testmethods of concrete physical andmechanical properties：GB/T 50081—2019[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2019：18-25.（In Chinese）

[15] 活性粉末混凝土：GB/T31387—2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：8-9.

Reactive powder concrete： GB/T31387—2015[S].Beijing： Standards Press of China，2015：8-9.（In Chinese）

[16] KANG S T，KImJ K.The relation between fiber orientation andtensile behavior in an Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites（UHPFRCC）[J].Cement and Con-crete Research，2011，41（10）：1001-1014.

[17] PAmH J，KWAN A K H，ISLAMmS.Flexural strength and duc-tility of reinforced normal-and high-strength concrete beams[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings，2001，146（4）：381-389.

[18] 張哲.鋼-配筋UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)彎曲受拉性能研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016：75-76.

ZHANG Z.Bending behaviors of composite bridge deck systemcomposed of OSD and reinforcedUHPClayer[D].Changsha：Hu-nan University，2016：75-76.（In Chinese）

[19] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）：GB 50010—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：34-35.

Code for design of concrete structures（2015 version）：GB 50010 —2010[S].Beijing： China Architecture & Building Press，2010：34-35.（In Chinese）