24_m无腹筋UHPC梁的试验研究及其应用分析_王彪.pdf

超高性能混凝土（UHPC）是一种由增韧纤维、超强预混料和高效外加剂组成的具备均质性、致密性、延展性的新型纤维增强水泥基复合材料，近些年来在桥梁、建筑、军事、地下空间等领域应用发展迅速1。但是，关于在抗剪承载力计算满足设计要求的收稿日期：2022-11-07作者简介：王彪，男，工程师，硕士，主要研究方向为 UHPC 的结构设计和建造技术。引文格式：王彪，杜蕊蕊，杨涛.24 m 无腹筋 UHPC 梁的试验研究及其应用分析 J.市政技术，2023，41（3）：146-150.（WANG B，DU R R，YANG T.Experimental study and application analysis of 24 m prestressed UHPC beam without reinforcement J.Journal of municipaltechnology，2023，41（3）：146-150.）文章编号：1009-7767（2023）03-0146-05第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.146Journal of Municipal Technology24 m 无腹筋 UHPC 梁的试验研究及其应用分析王彪1，2*，杜蕊蕊1，2，杨涛3（1.华新水泥股份有限公司，湖北 武汉 430000；2.华新超可隆新型建材科技（黄石）有限公司，湖北 黄石 435000；3.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）摘要：为研究无腹筋 UHPC 梁的受力性能及其在工业建筑工程领域中的应用，对 24 m 长全尺寸无腹筋 UHPC 梁进行了破坏性试验，研究了在不同荷载组合下 UHPC 梁的承载力与变形，并分析了施工冷缝对梁承载力和破坏形态的影响；探讨了 UHPC在工业建筑领域中的应用前景和发展方向。分析结果表明：即使存在施工冷缝，试验梁极限承载能力仍能达到 2.03 倍荷载基本组合设计值。无腹筋 UHPC 梁的结构尺寸小、跨越能力强、耐久性优异，在生产环境恶劣的工业建筑中可替代钢梁，具有良好的应用前景。关键词：超高性能混凝土（UHPC）；无腹筋梁；静载试验中图分类号：U 446.1文献标志码：AExperimental Study and Application Analysis of 24 m Prestressed UHPCBeam Without ReinforcementWang Biao1，2*，Du Ruirui1，2，Yang Tao3（1.Huaxin Cement Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；2.Huaxin Chaokelong New Building Material Technology（Huangshi）Co.，Ltd.，Huangshi 435000，China；3.Certral&Southern China Municipal Engineering Design and Research InstituteCo.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：In order to study the application and mechanical performance of UHPC beams without reinforcement inindustrial construction engineering，a destructive test was conducted on 24 m UHPC beam without reinforcement tostudy the bearing capacity and deformation of UHPC beam under different load combinations.The influence ofconstruction cold joints on the bearing capacity and failure mode were emphatically analyzed；Finally，the applicationand development direction of UHPC in industrial building field were discussed.The results show that the ultimatecapacity of the UHPC beam with construction cold joints is still 2.03 times of the basic combination design value ofthe load.Because it is small in size，excellent in durability and strong in span capacity，UHPC beam withoutreinforcement can replace steel beams under poor working environment and has bright application prospectsKey words：ultra-high performance concrete（UHPC）；beam without reinforcement；static load test第3期情况下能否取消UHPC梁腹板构造钢筋的争议还较大，如DBJ 43/T 3252017活性粉末混凝土结构技术规程2中规定应配置腹板构造钢筋以避免抗剪脆性破坏，而欧洲相关规范3并未做强制要求。考虑到UHPC预制梁的腹板构造钢筋既影响UHPC材料的流动和钢纤维走向，增加预制难度，又未能充分发挥UHPC材料性能，为此众多学者4-12对UHPC梁进行了多方面研究，并发现其受力性能可以满足现行规范要求，且应力与变形有较大安全储备4；相对于普通钢筋混凝土梁，UHPC梁的抗裂性能大大提高，并推出了UHPC梁抗弯承载力计算公式6-8；通过静载试验认为，即使没有配置腹筋，UHPC梁抗剪承载力仍能满足要求9-11；钢纤维类型、尺寸和体积掺量等均对梁的扭转行为有较大影响12。以上研究大多采用数值模拟或缩尺模型试验，鲜有全尺寸结构试验和工程实际应用案例。另外，浇筑过程中，UHPC表面很容易在较短时间内结皮，进而形成施工冷缝，而目前的研究还很少考虑施工冷缝对结构的影响。鉴于此，笔者对武汉市长山口垃圾预处理厂房24 m长全尺寸无腹筋UHPC梁进行了破坏性试验，研究了梁体在不同荷载组合下的承载力与变形，并分析了施工冷缝对承载力和破坏形态的影响；探讨了UHPC在工业建筑领域的应用前景与发展方向。1工程背景武汉市长山口垃圾预处理厂房于2016年建成，采用混凝土框架结构，柱距6 m，跨度24 m。主梁采用单跨24 m的无腹筋UHPC梁替代钢桁架梁，以解决钢结构在腐蚀性环境的防腐、耐久问题。目前该厂房已经运营6年，结构情况良好。该厂房用于存放垃圾，室内环境极为恶劣，人员几乎无法在室内作业，因此耐久性良好的无腹筋UHPC梁为运营单位节省了维护成本、减小了维修安全风险。屋面主梁采用无腹筋UHPC简支梁，混凝土强度等级为C150，弹性模量为56 GPa，抗拉强度标准值ftk为8.5 MPa；钢纤维的体积掺量为2%，长度14 mm，直径0.2 mm。梁底仅配置13根s=15.2 mm（fpk=1 860 MPa）预应力钢绞线，未配置普通钢筋。其截面尺寸和配筋见图1。现场预制过程中，由于搅拌备料速度未能赶上浇筑进度，其中1根梁产生了施工冷缝（最大缝宽0.15 mm），因此对该梁进行静载试验，记录变形量，以测试梁体在不同等级试验荷载下的工作状态和受力性能。2UHPC梁试验研究2.1静载试验方案和测点布置试验梁静载试验采用堆载法7点加载方案进行加载，各加载点间距均为3 m，各点加载量大小相同，加载高度采用千斤顶调节。加载示意图见图2。a）跨中截面b）支座截面图1UHPC试验梁截面Fig.1 Cross section of UHPC test beam图2加载示意图Fig.2 Schematic of loading system王彪等：24 m无腹筋UHPC梁的试验研究及其应用分析147Journal of Municipal Technology第41卷整个加载过程分为3个阶段：第1阶段总加载量为540 kN，荷载量达到荷载标准组合要求，共分5级加载，该阶段最后一级加载后卸载至初始状态；第2阶段总加载量为760.5 kN，荷载量达到荷载基本组合要求，共分4级加载，该阶段最后一级加载后卸载至初始状态；第3阶段为承载力极限荷载的加载，预估总加载量为1 216.7 kN，共分8级加载，若此时梁体仍未破坏，则继续加载至梁体破坏。每级荷载加载到位后，持荷至少5 min。在梁跨中截面、1/4截面、支座截面对称布置百分表，测量试验梁在各级荷载作用下的挠度变化，同时对试验过程中梁体产生的裂缝进行观测、标识、记录。测点布置图见图3。2.2结构设计计算采用有限元软件建立试验梁有限元分析模型（见图4），对结构进行正常使用极限状态和承载能力极限状态验算。UHPC应力-应变曲线见图5。结构设计验算中，采用控制拉应力来避免受拉边缘出现裂缝。经计算，试验梁在正常使用极限状态下未出现裂缝，考虑预拱度后的结构变形值为121 mm，小于l/200（l为梁的计算跨度）；在准永久组合工况下，最大压应力为67.5 MPa；在频遇组合和标准组合工况下，最大压应力为90 MPa；在负弯矩作用下，最大拉应力为5.26 MPa。试验梁在承载能力极限状态下，最大压应力为98.1 MPa，最大拉应力为4.05 MPa，结构应力满足DBJ 43/T 3252017活性粉末混凝土结构技术规程2的要求。2.3静载试验结果分析静载试验加载量达到荷载标准组合阶段时，试验梁处于弹性变形阶段，梁体表面未发现新裂缝，原有施工冷缝无明显变化。加载量达到荷载基本组合阶段时，试验梁进入弹塑性变形阶段，梁体表面未发现新裂缝，原有施工冷缝无明显变化。加载量达到承载力检验阶段第14级（2.03倍荷载基本组合）时，梁跨中最大实测变形值达到280.02 mm，此时梁体表面仍未发现新裂缝，原有施工冷缝无明显变化。试验图4分析模型Fig.4 Analysis modelb）承载能力极限状态图5应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curvesa）正常使用极限状态图3测点布置图Fig.3 Layout of measurement points148第3期加载阶段实测跨中最大变形值/mm计算跨中最大变形值/mm（实测值/计算值）/%实测残余变形值/mm第1阶段（荷载标准组合22.02 kN/m）第2阶段（荷载基本组合30.99 kN/m）第3阶段（1.6倍荷载基本组合49.58 kN/m）第3阶段（2.03倍荷载基本组合62.78 kN/m）67.7287.32169.79280.02111.60191.7061461.938.70表1不同加载阶段试验梁挠度变形量Tab.1 Deflection deformation of test beam at differentloading stages梁荷载-挠度曲线见图6，不同加载阶段试验梁挠度变形量见表1。按照文献2计算，试验梁抗弯和抗剪承载力均满足设计要求。由全尺寸模型的预制梁试验结果可知：带有施工冷缝的无腹筋UHPC试验梁的极限承载能力达到梁荷载基本组合设计值的2.03倍，说明无腹筋UHPC梁具备较高的安全储备。梁最终的破坏形态是剪切破坏，表现出一定的脆性特征，说明原施工冷缝对梁体的结构受力性能存在一定影响，致使梁的抗剪承载力降低。3UHPC在工业建筑领域中的应用UHPC材料具有超高耐久性，适用于建造低碳混凝土结构，符合我国节能减排政策的要求，在工业建筑领域得到了应用13。目前，工程中常用的大跨度厂房主梁是钢桁架梁，钢梁生产工艺成熟、运输吊装简便，但是在一些存在腐蚀性介质的厂房内，如垃圾处理间、化工原料存储间、污水处理间等，钢结构吊车梁因耐腐蚀性差而容易锈蚀，需要频繁定期维护，因此钢吊车梁不仅维护成本高，而且给工厂的生产运营带来不便。普通混凝土梁生产成本低，但是自重大，运输吊装困难，一般仅适用于跨度较小的厂房。UHPC抗压和抗拉强度高，同样荷载情况下，相比于普通混凝土构件，UHPC构件的结构自重可以减小40%，减少了截面尺寸，有效提高了混凝土梁的跨越能力。有研究表明6：在同样抗弯承载能力的情况下，UHPC梁的截面高度与钢结构梁的高度相近。而相比于钢结构，UHPC具有优异的耐久性和防火d）不同测点挠度图6荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curvesa）标准组合阶段b）基本组合阶段c）承载力检验阶段王彪等：24 m无腹筋UHPC梁的试验研究及其应用分析149Journal of Municipal Technology第41卷性能，可适用于有腐蚀性介质的恶劣环境中。因此，在有腐蚀性介质的环境或者有防火需求的厂房中，UHPC预制梁可以替代钢结构梁。UHPC结构的高耐久性可极大地减少甚至免除运营期的维护费用，延长了使用寿命，使周期内的综合造价得以降低。随着我国建筑行业逐渐向工业化、装配化、智能化、绿色化方向转变，UHPC设计、制备、成型、施工等创新技术研究日趋成熟，UHPC在建筑领域的应用也将向高质量、规模化运用方向发展。4结论笔者研究了无腹筋UHPC梁在不同荷载组合下的承载力、变形破坏形态，探讨了UHPC在工业建筑领域中的应用前景，得出以下结论：1）试验梁极限承载能力达到2.03倍荷载基本组合设计值，说明无腹筋UHPC梁具备较高安全储备。2）施工冷缝降低了梁的抗剪承载力，梁破坏形态为脆性破坏，因此预制时要避免出现施工冷缝。3）预应力UHPC梁跨越能力强、结构尺寸小、耐腐蚀，在工业建筑领域具有良好的应用前景。参考文献1邵旭东，樊伟，黄政宇.超高性能混凝土在结构中的应用J.土木工程学报，2021，54（1）：1-13.（SHAOXD，FANW，HUANGZ Y.Application of ultra-high-performance concrete in engineer-ing structuresJ.China civil engineering journal，2021，54（1）：1-13.）2湖南住房和城乡建设厅.活性粉末混凝土结构技术规程：DBJ43/T 3252017S.北京：中国建筑工业出版社，2017.（HunanDepartment ofHousingand Urban Rural Development.Technicalspecification for reactive powder concrete structures：DBJ 43/T3252017S.Beijing：China Architecture&Building Press，2017.）3Association Franaise de Normalisation.National addition to eu-rocode 2：design of concrete structures：specific rules for ultra-high performance 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