常溫養(yǎng)護鋼-UHPC組合橋面板早期收縮效應

何武超

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

鋼-超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）組合橋面板通過焊釘?shù)冗B接件將UHPC 板與正交異性鋼橋面板相結合，可顯著地提高橋面板剛度，有助于解決鋼橋面板疲勞開裂問題［1］。由于UHPC 粗集料含量少、水膠比低，UHPC 較普通混凝土早期收縮發(fā)展速度更快、收縮量更大［2］。在組合橋面板結構中，UHPC的收縮受到鋼筋、剪力連接件和鋼結構等的共同約束產(chǎn)生次內力，存在開裂的風險，進而影響組合橋面板的耐久性和受力性能。

UHPC 的收縮呈現(xiàn)出早期收縮快且占比重大、后期收縮較小的特點，且早期收縮以材料的自收縮為主［3］。根據(jù)李家和等［4］的研究，早期收縮是造成UHPC 開裂的主要原因。因此，研究UHPC的早期收縮規(guī)律具有重要的實際意義。目前對于UHPC 早期收縮的起始點時間的選取沒有形成統(tǒng)一的觀點。趙筠等［5］認為初凝后發(fā)生的收縮是導致開裂的主要原因。因此，測量與評價UHPC 收縮的起始點應該是初凝的時間點。Huang 等［6］通過改進的方法測量水泥漿內部相對濕度的變化，發(fā)現(xiàn)水泥漿的內部濕度在終凝后沒有立刻降低，并將新的測量“時間零點”定義為內部濕度開始下降的時間點。

養(yǎng)護制度是影響UHPC 早期收縮發(fā)展的重要因素。目前實際工程中UHPC 的養(yǎng)護制度主要有高溫養(yǎng)護和常溫養(yǎng)護。高溫養(yǎng)護可以顯著促進膠凝材料的水化進程，加快養(yǎng)護期間的自收縮發(fā)展和早期強度的形成，減少UHPC 的殘余收縮［7］。目前已有學者針對養(yǎng)護制度對UHPC 收縮發(fā)展的影響進行了研究。崔存森［8］研究了不同養(yǎng)護制度對UHPC 收縮的影響，結果顯示，與標準養(yǎng)護相比，熱水養(yǎng)護與干熱養(yǎng)護均可使UHPC 的抗壓強度有不同程度的提高。胡功球［9］研究了標準養(yǎng)護條件下UHPC 試件的早期自收縮和干燥收縮，結果表明標準養(yǎng)護條件下UHPC 的早期自收縮較大，約為干燥收縮的1.5 倍。在實際工程中，高溫蒸養(yǎng)增加了施工的難度，常溫養(yǎng)護從方便施工角度更具有優(yōu)勢。但是常溫養(yǎng)護UHPC 收縮受到變化的環(huán)境溫濕度等外在因素的影響，各國規(guī)范尚未給出建議值。這給常溫養(yǎng)護條件下組合橋面板收縮效應的影響特征研究帶來了困難。

一方面，組合橋面板中UHPC 收縮效應與UHPC 本身的收縮特性相關，另一方面又受到結構約束作用的影響。目前常溫養(yǎng)護條件下組合橋面板UHPC 次內力、鋼板及鋼筋應力的影響特征仍未明確，這是研究鋼-UHPC 組合橋面板收縮特點及機理的重要基礎。本文以實際工程為背景，結合鋼-UHPC 組合橋面板夏季高溫施工特點，設計橋面板足尺節(jié)段模型進行自然環(huán)境常溫養(yǎng)護下的收縮監(jiān)測試驗，監(jiān)測組合橋面板中各構件的應變發(fā)展與分布特點。結合監(jiān)測結果，引入彈塑性損傷本構和彈性模量變化的有限元模型對試驗結果進行模擬與分析。研究結果為常溫養(yǎng)護條件下鋼-UHPC 組合橋面板考慮收縮效應的合理設計積累了監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析基礎。

1 收縮監(jiān)測試驗設計

1.1 試件設計與材料性能

設計鋼-UHPC 組合橋面板足尺節(jié)段試件如圖1 所示。板件厚度、加勁肋構造、縱橫肋間距等均參照背景工程中構件尺寸。試件長7 000 mm，寬1 960 mm，高488 mm；加勁肋高180 mm，厚11 mm，間距400 mm；橫肋間距2 000 mm。UHPC板厚度為60 mm，鋼蓋板厚度分別為12 mm，兩者接觸表面未做特殊處理。UHPC 板內鋼筋采用HRB400，直徑為16 mm，間距為100 mm，縱橋向鋼筋底部保護層和橫橋向鋼筋頂部保護層厚度分別為15 mm和13 mm。試件中焊釘直徑為13 mm，高度為40 mm。

圖1 試件構造示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of specimens（Unit：mm）

試驗所用UHPC 由粉體材料和外摻定制特種鋼纖維組成。粉體材料組分包含水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、石英粉、降粘劑、石英砂、減水劑、流變穩(wěn)定劑等。鋼纖維的體積摻量為2.3%。材性試件養(yǎng)護條件與橋面板試件相同。根據(jù)規(guī)范［10］分別測量UHPC 養(yǎng)護7天與28天時的材料基本力學性能，材性試驗結果見表1。根據(jù)規(guī)范［11］測得鋼筋與鋼板的材性試驗結果見表2。

表1 UHPC材性試驗結果Table 1 Material property test results of UHPC

表2 鋼筋和鋼板材性試驗結果Table 2 Material property test results of rebar and steel plates

1.2 測點布置與試驗過程

UHPC 收縮效應測試應變計布置位置如圖2所示。分別用編號G、R 和S 表示埋入UHPC 內部的光纖應變計、測量鋼筋應變的振弦應變計和粘貼在鋼板表面的振弦應變計。UHPC 板內部沿縱向布置共5 個光纖應變計以監(jiān)測UHPC 板收縮縱向分布情況。同時，在兩側位置分別設置1 個溫度計監(jiān)測UHPC 內部溫度變化情況。埋入式光纖應變計的布置高度與鋼筋平齊，距離鋼底板約25 mm。在位于中心線上的縱向鋼筋兩端位置處各布置1 個振弦應變計監(jiān)測鋼筋受力情況。在橫截面1—1和3 ℃3位置鋼頂板下緣和鋼肋下緣分別布置1個振弦應變計，在2—2截面鋼頂板下緣布置1個振弦應變計以監(jiān)測鋼結構上應變分布情況。

圖2 試件應變計布置示意（單位：mm）Fig.2 Schematic diagram of specimen strain gauges layout（Unit：mm）

為了減少徐變對收縮監(jiān)測的影響，在組合橋面板的下面沿縱橫向墊置木塊。UHPC 澆筑完成時刻的環(huán)境溫度為23.1 ℃，濕度為64%。澆筑完成約1 小時后對UHPC 表面灑水并覆蓋塑料薄膜進行養(yǎng)護，靜置于室外環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測。

2 試驗結果與分析

2.1 溫濕度監(jiān)測結果

圖3 為UHPC 內部G2 測點的溫度日監(jiān)測結果。圖4 為環(huán)境濕度的日監(jiān)測結果，包括日最值和日均值。監(jiān)測時間約為90天。UHPC內部的日平均溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。監(jiān)測過程中UHPC 內部溫度變化范圍為17 ℃～55 ℃。環(huán)境濕度的變化范圍主要為50%～90%，澆筑完成初期環(huán)境濕度相對較高，養(yǎng)護20 天后環(huán)境濕度均值有所降低。

圖3 UHPC內部溫度變化（G2測點）Fig.3 UHPC internal temperature change（G2 measuring point）

圖4 環(huán)境濕度變化結果Fig.4 Environmental humidity change results

2.2 UHPC收縮監(jiān)測結果與分析

在整個監(jiān)測試驗中，自然養(yǎng)護條件下組合橋面板UHPC 未發(fā)現(xiàn)明顯收縮裂縫，主要因為試件采用了較高的配筋率。以組合橋面板澆筑完成時刻作為監(jiān)測時間零點和應變零點，表3 為前72 小時和90 天內主要監(jiān)測結果。初凝時間判定在3.3節(jié)中進行說明。根據(jù)監(jiān)測結果，組合橋面板UHPC 在前72 小時內最大收縮量達到350 με，發(fā)生于G3 測點。收縮分布總體表現(xiàn)為中心區(qū)域（G5 測點）收縮較小，靠近邊緣區(qū)域收縮較大，主要原因是各區(qū)域受焊釘約束作用差異和與環(huán)境接觸面積不同。此外，G1 和G3 是位于UHPC 板對稱位置處的兩個測點，可以觀察到兩測點早期監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定離散性。這是因為UHPC 板內材料分布不完全均勻、水化反應放熱有所差異，導致不同位置處UHPC 應變發(fā)展不同。但隨著齡期增加，UHPC 收縮發(fā)展趨于穩(wěn)定后，G1 和G7 測點檢測到的應變差異逐漸減小。同時，此次監(jiān)測試驗采用的光纖傳感器自身也存在監(jiān)測誤差。

表3 UHPC應變監(jiān)測結果統(tǒng)計Table 3 Statistics of UHPC strain monitoring results με

為研究組合板試件UHPC 收縮發(fā)展過程，以早期收縮最大的G3測點為例，繪制UHPC前72小時應變發(fā)展，如圖5（a）所示。其中，正值表示應變增加，負值表示應變減?。ㄅc應變零點相比較）。每天的監(jiān)測結果由于受到環(huán)境溫度和濕度變化的影響，存在一定的波動，因此計算UHPC 應變的日均值和最值并繪制發(fā)展過程，如圖5（b）所示。

圖5 UHPC應變監(jiān)測結果Fig.5 UHPC strain monitoring results

前3 天UHPC 應變以24 小時為周期呈現(xiàn)波動式的收縮，這主要是受到日間溫度變化的影響。白天環(huán)境溫度較高，UHPC 受熱膨脹，夜晚則因溫度降低而收縮；整體呈現(xiàn)的是收縮趨勢。根據(jù)長期監(jiān)測結果可知，UHPC 澆筑初期受水化反應熱和較高環(huán)境溫度的影響發(fā)生一定膨脹，之后快速收縮，約40 天時日平均應變達到最小值?？梢娤募狙谉岘h(huán)境下（溫度：17 ℃～42 ℃，濕度：50%～90%）組合橋面板UHPC收縮發(fā)展在40天內基本穩(wěn)定。

2.3 鋼筋與鋼結構應變監(jiān)測結果與分析

以橋面板澆筑完成時刻作為時間零點和應變零點，計算鋼筋測點各時刻的應變。繪制縱向鋼筋R3測點前72小時應變變化，如圖6所示，其中，正值表示受拉，負值表示受壓。澆筑完成后15 小時內鋼筋應變基本為0，之后鋼筋逐漸受壓。說明此時鋼筋開始受到UHPC 收縮引起的次內力作用，可以推斷UHPC 的初凝時間在15 小時左右。約48 小時后鋼筋應變發(fā)展趨于穩(wěn)定，說明鋼筋次內力主要由前48 小時UHPC 收縮產(chǎn)生。前72 小時鋼筋最大壓應變值約為280 με，對應的壓應力值約為58 MPa。附近G3 測點處UHPC 最大收縮量為350 με。

圖6 鋼筋應變監(jiān)測結果Fig.6 Rebar strain monitoring results

以澆筑完成時刻作為時間零點和應變零點，繪制3—3 截面鋼板S4 測點和鋼肋S5 測點應變發(fā)展均值與最值分別如圖7（a）和圖7（b）所示，其中，正值表示受拉，負值表示受壓。

圖7 鋼結構應變監(jiān)測結果Fig.7 Steel structure strain monitoring results

監(jiān)測結果表明：鋼板下表面受壓、鋼肋下表面受拉，說明收縮對鋼結構產(chǎn)生了正彎矩次內力作用，使鋼橋面板發(fā)生一定程度的彎曲變形。澆筑完成初期鋼結構次內力迅速增長，30～40 天后鋼結構應變趨于穩(wěn)定，這與UHPC 的收縮穩(wěn)定時刻吻合，說明鋼結構次內力隨UHPC 收縮的增長而增加。監(jiān)測過程中邊部鋼板最大日均壓應變約為130 με，鋼肋最大日均拉應變約為150 με。

3 有限元模擬與分析

本文基于UHPC 材料彈塑性損傷和早期彈性模量變化建立有限元模型，對試驗中鋼-UHPC 組合橋面板收縮效應進行模擬，模型尺寸與試件尺寸一致。需要說明的是，常溫養(yǎng)護組合板UHPC收縮受到環(huán)境溫濕度變化、材料彈性模量及早期膨脹系數(shù)變化等諸多因素影響，目前相關研究尚不充分。本文數(shù)值模擬并不是對監(jiān)測過程的精確模擬，而是在不考慮溫濕度影響的情況下對鋼-UHPC 組合橋面板的收縮效應進行定性模擬，作為對監(jiān)測試驗的重要補充，也為總結收縮效應規(guī)律奠定基礎。

3.1 有限元模型設置與材料本構

通過ABAQUS 軟件建立試驗中組合橋面板的有限元模型，其中，UHPC 板、鋼筋、鋼結構分別采用C3D8R 單元、T3D2 單元和S4R 單元模擬，焊釘采用Connector 單元模擬并考慮了剛度非線性，具體參數(shù)參照文獻［17］的試驗結果。考慮UHPC與鋼蓋板之間的界面切向摩擦系數(shù)為0.3，法向為“硬接觸”。邊界條件與試驗靜置時保持一致，墊放木塊處設置豎向支撐。有限元模型示意如圖8所示。

圖8 有限元模型示意Fig.8 Schematic of finite element model

UHPC 抗壓和抗拉強度等參考表1 中材性試驗結果。材料屬性中考慮UHPC 彈塑性損傷，以模擬UHPC 可能的受拉開裂特征。參考文獻［12-14］推導應力-非彈性應變曲線和損傷因子-非彈性應變曲線。

參照歐洲FIB 模式規(guī)范與材性試驗結果，澆筑完成初期UHPC 彈性模量的變化按圖9 進行設置。參考Zhang Xiuzhen［2］、Soliman A M［5］、Huang Hao 等［15］學者對UHPC 收縮發(fā)展的研究成果，結合試驗監(jiān)測結果，有限元分析模型中引入了如圖10 所示的UHPC 收縮發(fā)展特征曲線。

圖9 UHPC彈性模量變化Fig.9 UHPC elastic modulus change

圖10 UHPC收縮隨時間發(fā)展Fig.10 UHPC shrinkage development over time

UHPC 其他材性參數(shù)參照文獻［16］設置。鋼板、鋼筋本構關系采用基于材性試驗結果的雙折線彈塑性模型，泊松比與彈性模量分別設置為0.3與210 GPa。焊釘剪切剛度采用基于焊釘推出試驗結果［17］的非線性模型定義，其中，彈性段剪切剛度約為353 kN/mm。

3.2 有限元模擬結果對比

表4 為主要構件測點的試驗監(jiān)測值與計算結果的對比?？梢?，在UHPC 應變發(fā)展與試驗基本吻合的情況下，鋼筋和鋼結構測點計算值與試驗值的誤差在10%～25%。由于模擬中未考慮溫濕度變化等環(huán)境因素的影響，因此可以認為誤差在合理范圍。結合圖13 的UHPC 應變計算分布，數(shù)值模擬中UHPC 收縮在中心區(qū)域較小，靠近邊緣區(qū)域較大，與試驗監(jiān)測分布規(guī)律一致?？梢姡嬎闩c試驗結果能夠較好吻合，驗證了計算方法的可行性。

表4 各類型測點有限元計算值與試驗值比較Table 4 Comparison of finite element calculation values and test values of various measuring points

3.3 基于試驗與有限元模擬結果的收縮效應分析

圖11 為UHPC 橫向中心線上應變分布圖，橫軸為距離跨中的距離；縱軸為UHPC 的應變，應變負值表示收縮?？梢?，組合橋面板的跨區(qū)域UHPC收縮較小，表明跨中區(qū)域UHPC受到的約束作用較強。距跨中距離越遠UHPC 收縮應變越大，說明組合橋面板不同位置處受焊釘?shù)募s束作用有差異。

圖11 UHPC應變計算結果Fig.11 UHPC strain calculation results

圖12 和圖13 分別為橫向邊部鋼板（S1 測點所在縱向線）應力與橫向中心線上鋼筋應力的分布圖，橫軸為距跨中距離，正負表示跨中兩邊不同方向；縱軸為鋼板或鋼筋應力，正負分別表示受拉和受壓?？梢姡摪蹇缰惺軌簯Υ笥谶吘墔^(qū)域，結合UHPC 收縮分布結果，分析其原因是中心區(qū)域受焊釘約束作用更強，UHPC 收縮更小，對應的鋼板次內力更大。而跨中區(qū)域鋼筋受壓應變則較小，原因是鋼筋與UHPC 應變具有一定的協(xié)同性，跨中區(qū)域UHPC 在強約束作用下收縮較小，因此鋼筋壓應變也較小。

圖12 鋼結構應力計算結果Fig.12 Steel structure stress calculation results

圖13 橫向鋼筋應力計算結果Fig.13 Longitudinal reinforcement stress calculation results

根據(jù)端部截面縱向應變分布（圖14），組合橋面板UHPC 越靠近上表面處收縮越大，原因是靠近上表面處受焊釘約束作用小，且結構次彎矩在不同高度處引起的內力不同。端部UHPC 與鋼板之間的應變差約為250 με。UHPC 收縮引起的鋼結構次內力使鋼板受壓，鋼肋底部受拉，與試驗監(jiān)測結果一致。

4 結論

本文在夏季炎熱環(huán)境下（溫度：17 ℃～42 ℃，濕度：50%～90%）對鋼-UHPC 組合橋面板足尺模型進行常溫養(yǎng)護收縮靜置監(jiān)測試驗與分析，探究了組合橋面板中UHPC 收縮發(fā)展與分布規(guī)律，以及對鋼筋、鋼結構等構件次內力發(fā)展的影響。在驗證有限元計算結果的基礎上對組合板收縮效應進行了更深入的分析，結論總結如下：

（1）在溫度為17 ℃～42 ℃、濕度為50%～90%的養(yǎng)護環(huán)境中，鋼-UHPC 組合橋面板中UHPC 未發(fā)現(xiàn)明顯開裂情況，UHPC初凝時間約為15小時。前72 小時內組合橋面板UHPC 最大收縮量約為350 με，中心區(qū)域收縮量較小。約40 天時UHPC收縮基本穩(wěn)定。

（2）UHPC 收縮對鋼結構產(chǎn)生正彎矩次內力作用，引起鋼板下表面受壓，鋼肋受拉；UHPC 板內鋼筋則受到壓應力作用，鋼筋與UHPC 的變形具有一定的協(xié)同性。

（3）基于試驗設計的有限元分析表明，組合橋面板不同位置處受焊釘?shù)募s束作用有差異，越靠近中心區(qū)域所受約束作用越強，UHPC 收縮次內力和鋼板次內力也越大。端部截面UHPC 與鋼板界面應變差約為250 με。根據(jù)滑移分布結果，遠離跨中方向UHPC與鋼板間的結合作用減弱。

（4）在結構設計方面，UHPC收縮由于受到約束會產(chǎn)生次內力，導致UHPC 板內存在拉應力，從而使UHPC 的材料性能使用率下降、材料優(yōu)勢降低。在施工方面，若不加考慮，UHPC 收縮會導致UHPC 早期開裂，降低組合橋面板耐久性和安全性。