R-UHPC梁抗彎性能分析

廖宇芳　施培華

摘要：文章通過建立有限元模型，研究了R-UHPC梁的抗彎性能，對比了R-UHPC梁與RC梁的破壞模式、荷載-撓度曲線與荷載-受拉鋼筋應變曲線，并分析了鋼纖維摻量對R-UHPC梁抗彎性能的影響。

關鍵詞：R-UHPC梁;RC梁;抗彎性能;鋼纖維摻量

中國分類號：U441+.4文章標識碼：A150555

0 引言

由于原材料簡單、成本低、可塑性強，普通混凝土已經廣泛應用于工程結構中[1]。但隨著社會發展與材料來源減少，混凝土結構已逐漸向輕質化、高性能化、密實化發展。超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是一種新型水泥基復合材料，最初由Richard和Cheyrezy研發所得[2]。其主要是通過去除粗骨料、優化集配以提高材料的密實度，通過摻加礦物摻合料，例如硅灰、粉煤灰等來降低材料孔隙率，從而獲得高抗壓強度。此外，還可以通過添加鋼纖維等來提高其抗拉強度和韌性[3-5]。

目前國內外學者已對UHPC增強增韌機理進行了研究。劉超等[6]分析了T形配筋應變強化UHPC梁在受力時UHPC與鋼筋的協同工作性，并認為UHPC提供的抗拉強度為結構受力提供了重要抗力。楊志慧等[7]對不同鋼纖維摻量的RPC材料的抗拉性能進行研究，研究表明RPC材料的劈裂抗拉強度可達23.30 MPa，遠大于普通混凝土抗拉強度。黃政宇等[8]對UHPC材料開裂后的性能進行分析，研究表明，由于鋼纖維的摻加，UHPC材料在開裂后仍可以提供拉應力。為研究R-UHPC梁的抗彎性能，本文通過建立有限元模型，首先對R-UHPC梁與C40普通混凝土梁的抗彎性能進行比較，并進一步分析UHPC中鋼纖維摻量對R-UHPC梁抗彎性能的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何尺寸與參數

本文分析的RC梁與R-UHPC梁的尺寸相同，均為長2.5 m、寬0.15 m、高0.3 m的簡支梁。受拉鋼筋與受壓鋼筋均為直徑為16 mm、長2.45 m的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑為12 mm的HRB335鋼筋，間距為100 mm，混凝土保護層厚度為25 mm。各模型梁的截面尺寸如下頁圖1所示，分析參數如下頁表1所示。

2 UHPC梁抗彎性能分析

2.1 破壞模式與應力分析

RC-1梁與RU-1梁破壞時的情況如圖4所示。由圖可知，各模型梁在四點受彎的情況下，發生的是適筋梁破壞，當縱筋屈服后，中性軸逐漸上升，受壓區混凝土壓碎，其中，RC-1梁的梁底最大拉應力為1.522 MPa，而RU-1梁的梁底最大拉應力為4.931 MPa，相比RC-1梁提高了223.98%，這表明將梁體材料換為UHPC后，梁底最大拉應力得到大幅提升，在相同的受荷情況下，可以延緩受拉區混凝土開裂。對比圖4（a）與圖4（b）也可看出，RC-1梁的最大等效應力區（即開裂區）范圍遠大于RU-1梁。除此之外，RU-2梁、RU-3梁的梁底最大拉應力為6.072 MPa、8.774 MPa，相比RU-1梁分別提高了23.14%、77.94%，這說明R-UHPC梁受拉區開裂后，可以繼續承載，與鋼筋共同受力，且鋼纖維摻量增加后，鋼纖維的阻裂作用能更好發揮。

2.2 荷載-撓度曲線

2.2.1 RC與R-UHPC梁的對比

RC-1梁與RU-1梁的荷載-撓度對比曲線如圖5所示，各階段梁截面的受力圖如圖6所示。受力初期，梁底混凝土未開裂，RC-1梁與RU-1梁均處于彈性狀態，見圖6（a）;隨著荷載的增加，RC-1梁跨中撓度增大，受拉區混凝土開裂，逐漸退出工作，中性軸上移;當加載荷載達到53.31 kN時，RC-1梁的荷載撓度曲線剛度變化明顯，進入破壞階段，見圖6（b）;當荷載達到76.57 kN時，RC-1梁達到其極限承載力，結構破壞。對于RU-1梁而言，當UHPC開裂后，由于鋼纖維的阻裂作用，存在帶裂縫工作階段，即受拉區UHPC進入軟化段，但鋼筋未屈服時，UHPC仍可以貢獻一定的拉應力與鋼筋共同工作。當荷載達到89.06 kN時，RU-1梁的剛度才開始退化，見圖6（c），此時，UHPC軟化速度加快，提供的拉應力逐漸降低，但并未退出工作。最終RU-1梁的極限承載力達到了110.50 kN，相比RC-1梁增加了44.31%。

2.2.2 不同鋼纖維摻量的R-UHPC梁對比

不同鋼纖維摻量下UHPC梁的荷載-撓度對比曲線如下頁圖7所示。由圖7可知，加載前期，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC梁的剛度增加并不明顯;各R-UHPC梁的剛度退化點明顯不同，當荷載達到89.06 kN時，鋼纖維摻量為1%的RU-1梁的剛度已經開始退化，但RU-2梁與RU-3梁仍可以繼續承載;RU-2梁與RU-3梁的剛度明顯退化，對應的加載荷載分別為100.74 kN、119.77 kN，相比UHPC-1梁分別增加了13.11%與34.48%，表明鋼纖維摻量增加后可以明顯增加UHPC梁的彈性極限荷載。除此之外，鋼纖維摻量為1%的R-UHPC梁的極限抗彎承載力為110.5 kN，鋼纖維摻量為2%、3%時，極限抗彎承載力為118 kN、134.09 kN，相比UHPC-1梁增加了6.79%、21.35%，表明UHPC摻量提高后，R-UHPC梁的抗彎承載力提高幅度變大。

2.3 鋼筋受力分析

2.3.1 普通混凝土梁與R-UHPC梁的對比

圖8為普通混凝土梁RC-1與摻有1%鋼纖維的RU-1梁的荷載-受拉鋼筋應變曲線。由圖8可知，根據曲線斜率變化可以得出RC-1梁與UHPC梁的開裂荷載與鋼筋屈服荷載。當荷載<14.95 kN，RC-1梁處于彈性階段，隨著荷載的增加，RC-1梁進入裂縫開展階段，當荷載達到48.68 kN時，RC-1板受拉鋼筋屈服。RU-1梁的開裂荷載與鋼筋屈服荷載為28.59 kN、79.46 kN，相比RC-1梁分別增加了91.24%、63.2%。說明梁體材料采用UHPC后，其開裂荷載與鋼筋屈服荷載都能得到大幅提高。

2.3.2 不同鋼纖維摻量的UHPC梁對比

圖9為不同鋼纖維摻量的R-UHPC梁的荷載-受拉鋼筋應變曲線。由圖9可知，各R-UHPC梁的荷載-受拉鋼筋應變曲線幾乎重合，但開裂荷載有所區別，RU-1梁對應的開裂荷載為28.59 kN，RU-2梁、RU-3梁的開裂荷載分別為32.38 kN、34.21 kN，相比RU-1梁增加了13.26%、20.04%，這是由于UHPC中鋼纖維的增強增韌作用可提高R-UHPC梁的開裂荷載。隨著荷載的增加，鋼筋逐漸屈服，RU-1梁對應的鋼筋屈服荷載為79.46 kN，RU-2梁、RU-3梁的鋼筋屈服荷載分別為87.56 kN、102.54 kN，相比UHPC-1梁增加了10.19%、29.05%，說明受拉區UHPC開裂后其增強增韌作用仍然存在，可以與鋼筋共同承擔受力。

2.4 承載力分析

我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）規定的抗彎承載力Mu如式（1）所示：

由表2可知，未考慮UHPC的抗拉強度，R-UHPC梁抗彎承載力計算值與模型模擬值的誤差為34.7%;考慮UHPC抗拉強度后，此誤差減小到9.1%，表明R-UHPC梁進行抗彎承載力計算時需考慮UHPC的抗拉強度。

3 結語

本文通過建立有限元模型，對R-UHPC梁與C40普通混凝土梁的抗彎性能進行比較，并分析了UHPC中鋼纖維摻量對R-UHPC梁抗彎性能的影響，所得結論如下：

（1）在四點受彎的情況下，將梁體材料換為UHPC后，其破壞模式未改變，發生的是適筋梁破壞，且隨著鋼纖維摻量的提高，R-UHPC梁的最大等效拉應力能得到大幅度提高。

（2）由RC-1梁與RU-1梁的荷載-撓度曲線可知，隨著荷載的增加，RC-1梁與RU-1梁的跨中撓度增大，且RU-1梁的剛度明顯大于RC-1梁，R-UHPC梁的開裂荷載、極限承載力得到大幅提高。

（3）隨著鋼纖維摻量的增加，R-UHPC梁的剛度增加并不明顯，但可以增加R-UHPC梁的彈性極限荷載與UHPC梁的抗彎承載力，鋼纖維摻量為2%、3%的R-UHPC梁的抗彎承載力相比鋼纖維摻量為1%的R-UHPC梁提高了10.19%、29.05%。

（4）RU-1梁的開裂荷載與鋼筋屈服荷載相比RC-1梁增加了91.24%、63.2%，梁體材料采用UHPC后，其開裂荷載與鋼筋屈服荷載都能得到大幅提高。

（5）鋼纖維摻量不同的R-UHPC梁的荷載-受拉鋼筋應變曲線在加載前期幾乎重合，但R-UHPC梁的開裂荷載隨著鋼纖維摻量的增加而增大，鋼纖維的增強增韌作用不僅體現在彈性階段，在受拉區UHPC開裂后其增強增韌作用仍然存在。

（6）本文對R-UHPC梁的抗彎承載力進行了討論，結果表明考慮UHPC的抗拉強度后，R-UHPC梁抗彎承載力計算值與模型模擬值的誤差由34.7%減小到9.1%，R-UHPC梁進行抗彎承載力計算時需考慮UHPC的抗拉強度。

參考文獻：

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