鋼筋與UHPC黏結性能研究進展*

馬福棟

(1.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032；2.上海市工程結構安全重點實驗室，上海 200032)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一種具有高強度、高韌性和高耐久性的水泥基復合材料，與鋼筋組合可充分發揮鋼筋抗拉性能和UHPC抗壓性能。鋼筋與UHPC黏結性能是二者協同受力、共同工作的關鍵，是鋼筋在UHPC中的錨固、搭接長度設置及裂縫控制的基礎。

UHPC高強度和高韌性有利于提高其與鋼筋的黏結性能。與普通混凝土相比，UHPC中無粗骨料而有鋼纖維，鋼纖維可增強UHPC對鋼筋的握裹作用。因此，鋼筋與UHPC黏結機理和普通鋼筋混凝土存在差異，現有普通鋼筋混凝土黏結理論難以適用。

黏結性能涉及黏結強度、錨固(搭接)長度和黏結-滑移性能等，相關的計算方法主要依賴試驗結果擬合，合理的試驗方法對黏結性能的研究至關重要。本文對鋼筋與UHPC黏結性能的試驗方法、黏結強度、錨固(搭接)長度及黏結-滑移本構模型的研究現狀進行分析，供相關研究的進一步開展作為參考。

1 試驗方法

1.1 單根鋼筋拔出試驗

研究鋼筋混凝土黏結性能最常用的試驗方法為單根鋼筋拔出試驗(見圖1)。許多學者采用該方法研究了鋼筋與UHPC黏結機理、影響因素、黏結強度和黏結-滑移本構關系[1-8]。這種方法簡單易行，但加載時錨固試件鋼筋受拉，周圍UHPC受壓，會對錨固鋼筋形成“拱效應”，與實際構件受力狀態不符；錨固試件加載端受到約束產生的端部約束會限制UHPC開裂[3]。這些因素影響了鋼筋與UHPC黏結破壞模式，測得的黏結強度偏高[9]。

圖1 單根鋼筋拔出試驗

1.2 梁式試驗

采用梁式試件研究鋼筋與UHPC黏結性能和實際搭接受力狀態最為相符[10]。Al-Quraishi等[11]和Saleem等[2]采用梁式搭接試件(見圖2a)對鋼筋與UHPC黏結性能和搭接長度進行了研究。賈方方[8]采用梁式錨固試件(見圖2b)與單根鋼筋拔出試件進行對比分析，研究了鋼筋與UHPC黏結錨固性能。由于梁式試件制作和加載過程較復雜，工作量大，因此，相關研究成果較少。

圖2 梁式試驗

1.3 鋼筋搭接對拉拔出試驗

鋼筋搭接對拉拔出試驗能較好地反映實際構件鋼筋搭接力狀態。目前主要有2種試驗方法：①2根鋼筋偏心搭接對拉拔出試驗(見圖3a)。方志等[12]和馬福棟等[13]采用這種試驗方法研究了鋼筋與UHPC黏結性能。但此試驗方法中2根鋼筋不同軸，加載時試件會發生轉動，即使試件兩側設置限位鋼塊也難以完全避免。②鋼筋對稱搭接對拉拔出試驗。Maya等[14]采用3根鋼筋對稱搭接試件(見圖3b)研究了鋼絞線在UHPC中的搭接性能；Lagier等[15]采用4根鋼筋對稱搭接試件(見圖3c)研究了鋼筋與UHPC黏結性能，既消除了試件轉動影響，又避免了拱效應和端部約束。

圖3 鋼筋搭接對拉拔出試驗

1.4 其他試驗方法

Yuan等[16]采用如圖4所示試驗方法研究鋼筋與UHPC黏結性能，此方法較簡單，無法測得鋼筋自由端滑移量，無法進一步研究鋼筋與UHPC黏結-滑移曲線。Ronanki等[17]采用如圖5所示試件進行拉拔試驗，這種試件制作精度要求較高，對中難度較大。Shao等[18]采用如圖6所示試件進行拉拔試驗，此方法的優點是便于進行反復荷載加載，可模擬地震作用下鋼筋與UHPC黏結性能。

圖4 文獻[16]中黏結性能試驗

圖5 文獻[17]中黏結性能試驗

圖6 文獻[18]中黏結性能試驗

2 黏結強度

2.1 黏結強度影響因素

與普通混凝土類似，鋼筋與UHPC黏結強度受鋼筋間距、混凝土強度、保護層厚度、鋼筋埋置長度和箍筋約束等因素影響。鋼筋間距[9]是影響鋼筋與混凝土黏結強度的重要因素，為滿足鋼筋與混凝土黏結受力和澆筑密實的要求，現行GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)[19]規定了梁和柱縱筋最小間距要求，但現有研究對鋼筋間距和數量對黏結性能的影響關注較少。Untrauer等[20]在梁中配置不同數量和凈間距的鋼筋，研究了鋼筋凈間距對黏結強度的影響，結果表明，鋼筋數量較多、凈間距較小時梁會發生水平劈裂破壞，黏結強度顯著降低(見圖7，圖中的數字為鋼筋數量)。UHPC中無粗骨料且具有超高強度，是否仍然適用于《混凝土結構設計規范》中鋼筋間距要求，有必要進一步研究。

圖7 鋼筋凈間距對黏結強度的影響

鋼纖維摻量可提高UHPC強度和韌性，也是影響黏結強度的重要因素。Bae等[1]研究發現，1%鋼纖維摻量的UHPC與鋼筋黏結強度為無纖維摻加的2倍；鋼纖維摻量由1%增加至2%，黏結強度增大不明顯。但Alkaysi等[3]研究表明，鋼纖維摻量由1%增加至2%，黏結強度增大36%。另外，由于鋼纖維分布方向受混凝土澆筑方向的影響，纖維排列主要平行于流動方向[21-22]，對UHPC抗劈裂性能有重要影響[23]。Shao等[18]研究了UHPC澆筑方向對鋼筋與UHPC黏結性能的影響，結果表明，澆筑方向垂直于鋼筋比平行于鋼筋的UHPC黏結強度提高了9%～26%。當前有關鋼纖維摻量對黏結強度的影響還未形成系統和一致結論，對UHPC澆筑方向的影響研究還較少。

鋼筋與UHPC黏結強度還受試驗方法的影響，Shao等[18]統計了文獻中117個鋼筋與UHPC黏結試件的試驗結果，并根據試驗方法和破壞形態對試驗結果進行分類，如圖8所示。研究發現，鋼筋與UHPC黏結強度為6.6～76.3MPa，單根鋼筋拔出試驗得到的黏結強度最大。發生拔出破壞的試件比發生劈裂破壞的試件得到的黏結強度大，因為發生拔出破壞的試件通常具有較大的相對保護層厚度(保護層厚度c與鋼筋直徑d之比)。

圖8 試驗方法對鋼筋與UHPC黏結強度的影響

2.2 黏結強度計算方法

已有研究建立的黏結強度計算方法主要有2類：①通過試驗數據擬合得到的經驗公式[4,8,12-13,24](見表1)，但由于采用的試驗方法不同，黏結強度存在差異，其擬合公式的準確性和適用性受到限制；②在Tepfers厚壁圓筒理論[25]基礎上發展的理論公式[26-27]可適應不同材料的變化，但黏結強度預測準確性稍差，且僅適用于發生劈裂破壞的試件。

表1 文獻中提出的鋼筋與UHPC黏結強度計算公式

3 錨固(搭接)長度

鋼筋混凝土結構中梁端、節點等構件中的鋼筋常存在鋼筋錨固問題，另外，為了運輸、安裝的便捷性，鋼筋長度受到限制，需施工現場接長，常用的方法為綁扎搭接。因此，鋼筋與UHPC的錨固(搭接)長度是UHPC應用于結構時要解決的關鍵問題。錨固(搭接)長度是指錨固(搭接)鋼筋受拉達到屈服強度時所需的最小長度。諸多學者對此進行了研究，建議的錨固長度[2,6,28-31]如表2所示，搭接長度[12-13,32]如表3所示。總體而言，采用錨固試驗的研究較多，搭接試驗的研究較少，有待進一步在實際構件中進行驗證。

表2 文獻中建議的鋼筋UHPC錨固長度

表3 文獻建議的鋼筋UHPC搭接長度

文獻[13]提出了UHPC中鋼筋錨固(搭接)長度計算，如式(1)所示：

(1)

式中：lsa為錨固長度；lsl為搭接長度，f取鋼筋屈服強度fsy時，即得到錨固(搭接)長度；c為保護層厚度；ρsv為箍筋體積配箍率；fc為UHPC棱柱體抗壓強度。

分析搭接長度和錨固長度計算公式，可推出兩者之間存在線性關系，如式(2)所示：

(2)

4 黏結-滑移本構關系

局部黏結-滑移本構關系可表征鋼筋與混凝土的全過程相互作用，也是建立構件有限元模型的基礎。Eligehausen等[33]和徐有鄰[34]建立的鋼筋黏結-滑移本構模型最具代表性，已分別被歐洲規范[35]和我國《混凝土結構設計規范》[19]所采納。

目前，對鋼筋與UHPC黏結-滑移本構關系的研究相對較少。鄧宗才等[7]分析了實測鋼筋與UHPC黏結-滑移曲線各階段的特征，結果表明，與普通混凝土相比，曲線上升段較陡，下降段平緩或有回升。Lagier等[36]測量了搭接鋼筋不同位置黏結應力。安明喆等[6]通過試驗數據回歸擬合出了多項式形式的鋼筋與UHPC黏結-滑移本構模型。Marchand等[28]對歐洲規范[35]推薦的鋼筋混凝土黏結-滑移本構模型進行了修正，使其和鋼筋與UHPC黏結-滑移曲線更吻合。梁芮等[37]采用分段函數的形式擬合得到二段式鋼筋與UHPC黏結-滑移本構模型。以上研究的擬合數據均來自單根鋼筋拔出試驗的結果，可能會受到拱效應和端部約束的影響。賈方方[8]對梁式錨固試驗的黏結-滑移曲線各特征值進行擬合，得到了分段線性黏結-滑移本構模型。總之，鋼筋與UHPC黏結-滑移本構關系需采用更符合構件實際受力狀態的試驗方法進行深入研究。

5 基于鋼筋與UHPC黏結性能的工程應用

5.1 橋梁結構中的應用

UHPC較早應用于預制橋面板的連接[38-39](見圖9)。紐約錫拉丘茲市I-81號公路和斯德哥爾摩附近CR47道上的橋梁建造中均使用了UHPC對預制橋面板進行連接，鋼筋無須彎折錨固，搭接長度大幅度縮短，降低了施工復雜程度和現場濕作業量。Hwang等[40]采用四點受彎試驗驗證了UHPC連接預制橋面板受彎性能，提出了一種考慮UHPC界面黏結性能和鋼筋屈服行為的修正模型。此外，UHPC還被用于預制橋墩的連接[41-43]。

圖9 預制橋面板的UHPC連接

5.2 裝配式混凝土預制構件連接中的應用

2013年Maya等[44]采用UHPC在梁跨中和梁柱節點區連接預制梁，試驗結果表明，采用15d的搭接長度可滿足梁受彎承載的傳力要求。

近年來，我國裝配式建筑產業蓬勃發展，基于UHPC連接的預制構件研究逐漸增多。鄭七振等先后提出采用UHPC連接預制柱[45]、預制梁[46]和預制剪力墻[47]，并對其受彎和滯回性能進行試驗研究，結果表明，當鋼筋搭接長度為10d時，基于UHPC連接的裝配式預制構件的力學性能可等同于現澆試件。Zhang等[48]在鋼筋端頭加錨固板作為機械加強措施，在節點核心區后澆UHPC連接預制梁并研究了其滯回性能。馬福棟等[49-51]采用UHPC在節點核心區連接預制梁和柱(見圖10)，研究了其滯回性能并提出節點核心區受剪承載力計算公式。Xue等[52]采用UHPC在節點核心區連接帶樓板的預制梁和柱，進行了滯回試驗，并采用有限元模型模擬了循環荷載作用下的地震響應。

鄭七振等[53]進行了UHPC連接預制構件單榀框架的低周反復試驗，驗證了采用UHPC連接的裝配式混凝土結構抗震性能可等同于現澆結構。上海建工二建集團有限公司在上海金山楓涇海玥瀜庭和上海白龍港污水處理廠改造等項目中對這種結構形式進行了工程應用(見圖11)。采用UHPC的裝配式混凝土構件連接極大地降低了設計和施工難度，提高了裝配效率，具有廣闊的應用前景。但現有工程應用主要依賴試驗結果，而試驗得到的搭接長度為(10～15)d，尚缺少統一的理論基礎和設計方法。

圖11 采用UHPC連接的裝配式框架結構工程應用

5.3 其他方面應用

Dagenais等[54]應用UHPC加固鋼筋搭接長度不足的鋼筋混凝土結構，考慮了搭接長度、鋼筋直徑、修復深度等因素的影響，取得了良好加固效果。官林星等[55]應用UHPC連接大斷面頂管隧道預制管節，其接縫可滿足隧道工程防水要求。

6 結語

1)鋼筋與UHPC黏結性能主要依靠試驗研究獲取，合理的試驗方法至關重要，應盡量采用還原構件實際受力狀態的試驗方法。4根鋼筋對稱搭接試驗為較理想的試驗方法。

2)UHPC中無粗骨料而有鋼纖維，與普通混凝土黏結機理不同，有必要對鋼筋凈間距、鋼纖維摻量和纖維分布方向等對黏結性能的影響開展進一步研究。

3)目前關于錨固長度的研究較多，關于搭接長度的研究較少，根據文獻中提出的錨固和搭接黏結強度的關系，提出了錨固長度和搭接長度的線性關系，尚需更多實際構件試驗進行錨固(搭接)長度的驗證。

4)鋼筋與UHPC在預制構件連接或鋼筋搭接缺陷的加固中已有工程應用。但現有工程應用主要依賴試驗結果，統一的理論基礎和設計方法有待進行深入研究。