UHPC 加固鋼筋混凝土矩形截面梁抗彎承載能力分析

田 耕

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著社會經濟的發展和人民物質生活的提高，對基礎設施的建設提出了新的要求，許多既有結構已無法滿足現代生產和生活的需求，進而使得鋼筋混凝土結構發生承載能力不足、變形過大等問題[1]。因此，對無法滿足現代運營需求的基礎設施進行加固和修繕已成為當下研究的重點[2]。對既有基礎設施的加固和修繕，不僅可以減少社會資源的浪費，而且還能對一些具有重要歷史意義的建筑結構進行保護。目前最常見的加固方法主要包括[3]：加大截面法、體外預應力法和粘貼FRP 等方法，但這些方法均存在一定的局限和缺陷，如加大截面法會增加過多的自重。

超高性能混凝土 (Ultra High Performance Concrete,簡稱UHPC) 是指抗壓強度大于120MPa，抗拉強度大于5MPa 的一種水泥基復合材料[4]。UHPC 因具有較高的強度、較高的韌性和良好的耐久性能，已被用來作為改善鋼筋混凝土結構在使用階段性能和提高承載能力的一種有效而簡單的加固材料。與增大截面法類似，利用UHPC 對混凝土結構進行加固具有養護時間短、施工方便、強度提升速度快等優點。目前已有大量研究者利用UHPC對鋼筋混凝土梁進行了加固，并對其加固效果進行了大量研究。Genedy[5]和Katrin[6]等首先利用UHPC材料對T 型梁進行了加固，研究結果表明，與加固前相比，Katrin 加固后混凝土T 型梁承受荷載和抵抗變形的能力大大增強。Prem[7]等人利用UHPC 對破壞后的混凝土量進行了加固，發現加固后梁的受彎承載能力和延性都較未加固前有了很大的改善。Lampropoulos[8]等利用試驗和數值模擬的方法對利用UHPC 對加固前后混凝土梁的承載能力和變形能力進行了分析與研究，研究結果表明，利用有限元模型可以很好模擬UHPC 對混凝土梁的加固過程。除了上述研究外，還有大量科研人員對UHPC加固其他混凝土構件進行了大量研究[9-11]。

1 方案設計

為了對UHPC 加固鋼筋混凝土矩形梁抗彎承載能力進行定量描述，選擇以某一長度5m、寬度0.15m、高度0.3m 的普通鋼筋混凝土矩形梁為例，截面形式和配筋如圖1 所示。混凝土等級采用C30，彈性模型采用E0=3.0×104MPa，泊松比為0.2。鋼筋采用HRB400，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。

圖1 未加固梁截面示意圖

以圖1 所示的普通鋼筋混凝土矩形截面梁為加固對象。在原有結構幾何尺寸保持不變的情況下，通過在矩形梁下緣后澆筑UHPC 加固層，UHPC 加固層厚度每組各不相同，試件形狀如圖2 所示。具體參數見表1。

表1 UHPC 加固梁試件參數

圖2 加固梁截面示意圖

2 有限元模型的建立

以圖1 所示的矩形混凝土截面梁為例，利用大型有限元分析軟件ANSYS 建立了相應的有限元分析模型。模型采用8 節點六面體單元劃分網格，混凝土單元采用solid45 單元，鋼筋采用link8 單元，網格劃分后模型結點總數為5085 個，單元總數為5296 個。建立的有限元模型如圖3 所示。模型中各種材料的應力應變關系如圖4 所示。其中鋼筋采用曲線+水平線變化的應力應變曲線，鋼筋和UHPC 采用直線+水平線的應力應變曲線。

圖3 有限元模型

圖4 模型中各材料應力應變關系曲線

3 結果分析

為了研究不同UHPC 厚度對普通鋼筋混凝土梁加固前后延興和承載能力方面的影響，在上述不同有限元模型的基礎上，分別研究了在跨中承受5kN 的集中力時，采用不同厚度的UHPC 材料加固后的梁的位移、應力和鋼筋軸力沿梁縱向的變化。

3.1 位移的變化

圖5 為集中荷載作用下不同UHPC 加固層厚度下各組試件位移的變化云圖。從圖中可以看出，隨著UHPC 加固層厚度的增加，簡支梁跨中最大位移逐漸減小，與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當UHPC 加固層厚度從0 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時，簡支梁跨中最大撓度分別減小了0.69 倍、0.55 倍和0.45 倍。

圖5 不同UHPC 厚度下結構位移云圖的變化

為了定量描述UHPC 加固層厚度的變化與簡支梁跨中位移之間的關系，圖6 給出了不同UHPC加固層厚度下試件各截面處撓度沿梁縱向的變化。

圖6 不同UHPC 加固層厚度下試件各截面撓度沿梁縱向的變化

從圖6 中可以看出，在集中荷載作用下，簡支梁各截面位移沿梁縱向的變化關于跨中截面對稱，在跨中截面橋梁位移達到最大。從圖中變化曲線可以看出，加固后簡支梁跨中位移較加固前有了明顯改善，醉著UHPC 加固層厚度的增加，跨中撓度逐漸減小，且減小的速率隨厚度的增加而減小。

3.2 應力的變化

圖7 為集中荷載作用下不同UHPC 加固層厚度下各組試件梁底截面應力的變化云圖。從圖中可以看出，在集中荷載作用下，各組試件跨中截面梁底均出現了較大的拉應力，從圖中數值結果可知，隨著UHPC 加固層厚度的增加，截面拉、壓應力均呈現出先增加后減小的變化趨勢，因此為了便于進一步分析，對圖7 中的結果進行了量化，給出了不同UHPC 加固層厚度下試件各截面梁底拉應力沿梁縱向的變化。結果如圖8 所示。

圖7 不同UHPC 厚度下結構應力云圖的變化

圖8 不同UHPC 加固層厚度下試件各截面梁底拉應力沿梁縱向的變化

從圖8 可以看出，各試件梁底最大拉應力隨UHPC 加固層厚度的變化與應力云圖的結果一致，在集中荷載作用下，UHPC 加固層厚度為20mm 時，梁體跨中截面梁底拉應力最大。隨著UHPC 加固層厚度的增加，截面最大拉應力呈現出先增加后減小的變化趨勢。與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當UHPC 加固層厚度從0mm 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時，簡支梁跨中最大拉應力分別增加了2.01 倍、1.44 倍和1.18 倍。

3.3 鋼筋應力的變化

圖9 為集中荷載作用下不同UHPC 加固層厚度下各組試件鋼筋軸力的變化云圖。從圖中可以看出，在集中荷載作用下，跨中截面鋼筋軸力最大，在梁底承受拉應力，梁頂承受壓應力，兩者之間的偏差隨著UHPC 加固層厚度的增加而逐漸增大。對于與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁而言，在集中荷載作用下，鋼筋最大拉亞應力比0.91，是UHPC 加固層厚度從0mm 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時鋼筋最大拉壓應力比的0.78 倍、0.53 倍和0.21 倍。

圖9 不同UHPC 厚度下結構鋼筋應力云圖的變化

圖10 為不同UHPC 加固層厚度下試件各截面梁底鋼筋應力沿梁縱向的變化。從圖中可以看出，隨著UHPC 層厚度的而增加，梁底鋼筋最大軸力逐漸減小，且隨著UHPC 加固層厚度的增加，鋼筋內力減小的速率逐漸減小。在靠近跨中截面鋼筋承受拉應力，在靠近梁端部位置，鋼筋承受壓應力。與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當UHPC加固層厚度從0 分別增加至20mm、40mm 和60mm時，鋼筋最大拉應力分別減小了0.43 倍、0.19 倍和0.07 倍。

圖10 不同UHPC 加固層厚度下試件各截面鋼筋應力沿梁縱向的變化

4 結論

（1）UHPC 是一種高強度、高韌性、高耐久性的新型水泥基復合材料，用UHPC 對既有無法滿足承載能力要求的普通鋼筋混凝土梁進行加固，可有效解決混凝土抗拉強度低的缺陷，提高結構的承載能力。

（2）與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當UHPC 加固層厚度從0mm 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時，簡支梁跨中最大撓度分別減小了0.69 倍、0.55 倍和0.45 倍，跨中最大拉應力分別增加了2.01 倍、1.44 倍和1.18 倍，鋼筋最大拉應力分別減小了0.43 倍、0.19 倍和0.07 倍。

(3) 通過與未加固混凝土梁跨中截面最大位移、應力的比較，發現在梁底粘貼UHPC 層可顯著降低混凝土內鋼筋的受力狀態。