摘要
超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC）因其优异的力学性能和耐久性，近年来在桥梁工程中得到了广泛应用。为了在保持UHPC高性能的同时降低成本，以1.2%体积掺量的平直形镀铜微细钢纤维配置UHPC，并通过不同配筋条件（普通钢筋和高强钢筋）下UHPC带肋桥面板的抗弯性能与抗冲切性能试验，研究其力学性能和破坏特征。结果表明：不同配筋条件下UHPC带肋桥面板均为受弯破坏，表现出良好的延性，采用高强钢筋显著提高了极限承载力，充分发挥了其材料性能；在抗冲切性能方面，不同配筋条件下UHPC带肋桥面均呈现冲切破坏模式，具有较大延性；相同配筋率下，高强钢筋可提高受冲切承载力约25%，但配筋率增加对承载力的影响有限。研究结果证明，使用较低体积掺量的钢纤维和高强钢筋，可在降低成本的同时充分发挥UHPC和高强钢筋的优越性能，提高结构耐久性和经济性。
Abstract
Ultra-high performance concrete (UHPC) has been widely used in bridge engineering in recent years due to its superior mechanical properties and durability. To reduce costs while maintaining the high performance of UHPC, this paper investigates the mechanical properties and failure characteristics of ribbed UHPC bridge decks reinforced with 1.2% volume fraction of straight copper-plated micro steel fibers, under different reinforcement conditions (ordinary steel bars and high-strength steel bars), through bending and punching shear performance tests. The results indicate that UHPC ribbed bridge decks exhibited good ductility and flexural failure modes under different reinforcement conditions. The use of high-strength rebar significantly improved the ultimate bearing capacity, fully utilizing the material properties of the high-strength reinforcement. In terms of punching shear performance, the UHPC ribbed bridge decks showed a punching-flexural failure mode with substantial ductility. High-strength rebar increased the punching shear capacity by approximately 25% at the same reinforcement ratio, but further increases in reinforcement ratio had limited impact on bearing capacity. The findings demonstrate that using lower volume fractions of steel fibers and high-strength rebar can reduce costs while maximizing the superior properties of UHPC and high-strength steel bars, enhancing both the durability and economic efficiency of structures.
超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是一种基于颗粒紧密堆积、低水胶比（＜0.25）以及纤维增强原理设计的新型水泥基复合材料，具备极高的抗压强度（≥120 MPa）、优异的韧性、卓越的耐久性和良好的工作性能[1-2]。将UHPC与钢筋组合形成配筋UHPC，可解决诸如普通混凝土构件中高强钢筋易导致的混凝土过早压溃、裂缝宽度过大及钢筋屈曲问题，使水泥基结构材料的全面性能发生跨越式进步[3-4]。另外，虽然UHPC的胶凝材料用量较高，但其每单位抗压强度下的材料消耗远低于普通混凝土，展现出显著的节材减碳效益[5-6]。据不完全统计，世界各国使用UHPC建造的桥梁已超过1 000多座[7]，中国约有120座桥梁使用了UHPC材料。然而，虽然UHPC具备出色的力学性能和耐久性，由于制备技术和成本等原因，2023年中国UHPC的使用量仍只有14.65万m3[8]，应用规模较为有限。UHPC难以广泛推广的主要原因之一是其高昂的成本，尤其是UHPC材料中的钢纤维成本占比极高，约为40%。当钢纤维掺量超过2%时，UHPC的成本可能是C50混凝土的十倍以上[9]。然而，作为UHPC的核心材料之一，钢纤维对UHPC的抗压强度有一定的增强作用[10-11]。在受拉破坏时，钢纤维在裂缝处起到了桥接作用[12]，使UHPC相比普通混凝土具有更高的抗拉强度和韧性[13-14]。因此，为保持UHPC高性能的同时降低其成本，开展低纤维掺量UHPC的力学性能研究具有重要的现实意义。
关于配筋UHPC构件的力学性能研究已取得了长足进展。陈彬[15]对配筋预应力UHPC梁进行了抗剪实验，赵冠远等[16]对配筋UHPC柱进行了无轴压的低周往复试验，赵秋等[17]则对配筋UHPC板的抗弯性能进行了深入研究。为了防止主裂缝处钢筋过早断裂，进而导致构件延性不足，高纤维掺量的UHPC构件通常需要采用5%以上的配筋率[18]。然而，过高的配筋率不仅大幅增加了构件的制作成本，还会引发碳排放增加以及在强约束条件下出现过早开裂的问题[19-22]。在实际工程应用中，使用高强钢筋替代普通钢筋可以减少钢材用量，还能显著提高结构的耐久性和使用寿命，为工程结构带来更高的安全性和可靠性。
因此，为了在保持UHPC高性能的同时降低成本，采用1.2%体积掺量的平直形镀铜微细钢纤维配置UHPC。为了分析UHPC桥面板在不同荷载作用下的综合性能，通过不同配筋条件下（普通钢筋和高强钢筋）桥面板的抗弯性能试验和抗冲切性能试验，研究低纤维掺量UHPC带肋桥面板的受弯承载力和局部集中荷载作用下的承载能力，研究成果为UHPC的工程应用提供了理论基础和实践指导。
1 材料基本力学性能
UHPC中使用的纤维多采用镀铜细钢微细钢纤维，其价格是UHPC成本较高的主要原因之一。为降低成本，采用1.2%体积掺量的平直形镀铜微细钢纤维配置带肋桥面板的UHPC（记为UHPC-1.2）。为研究其基本力学性能的变化，采用2.2%体积掺量的端钩形镀铜微细钢纤维作为对照组（记为UHPC-2.2）。试验采用的UHPC基体配合比如表1所示，其中未使用高强骨料。两种材料均按照配合比分别计算粉料、水、钢纤维三者用量，采用预混料+水+镀铜微细纤维的拌合方式进行制作。两种材料的搅拌流程为：1）取预混料倒入行星式搅拌机，均匀搅拌20 s；2）倒入已称量好水，搅拌3 min；3）均匀撒入已称量好钢纤维，搅拌至自流平状态；4）搅拌3 min，倒入运输器具。
表1UHPC基体配合比
Tab.1Mix ratio of UHPC matrix
1.1 抗压性能
采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块测试UHPC的抗压强度，弹性模量采用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件进行测试。UHPC抗压性能试验过程如图1所示，各龄期抗压强度平均值如表2所示，抗压弹性模量平均值如表3所示。
图1抗压性能试验
Fig.1Compressive performance test
表2各龄期抗压强度平均值
Tab.2Average compressive strength at different ages
表3抗压弹性模量平均值
Tab.3Average compressive elastic modulus
从表2和表3可以看出，虽然钢纤维的体积掺量减少了45%，但UHPC-1.2的各龄期抗压强度和弹性模量均只有少量降低，各龄期抗压强度最多仅减少了6%。
1.2 抗拉性能
采用单轴拉伸试验测定UHPC的抗拉性能，为更好地表示材料的裂后残余抗拉性能，采用带切口的截面为50 mm×100 mm的哑铃型试件，切口深度为25 mm。轴拉试件制作和试验过程如图2所示。两种材料的轴拉应力-裂缝宽度曲线如图3所示。由图3可以看出，UHPC-2.2表现出明显的拉伸应变硬化特征，UHPC-1.2则在开裂后表现出拉伸应变软化特征，其轴拉应力在开裂的瞬时突降较小。此外，UHPC-2.2初裂强度略低于UHPC-1.2。
图2轴拉性能试验
Fig.2Axial tension performance test
图3实测轴拉应力-切口张开位移曲线
Fig.3Measured axial tensile stress-crack opening displacement curve
1.3 收缩性能
由于UHPC中胶凝材料用量大，两种材料的收缩主要为早期的自收缩，两种材料以及未掺纤维的基体收缩测试均采用非接触收缩的测试方法，如图4所示，测试结果如图5所示。可以看出，两种材料的收缩应变均明显小于未掺纤维时基体的自由收缩，而2.2%掺量UHPC的收缩又小于1.2%掺量UHPC。这表明纤维掺量的增加可减小基体的收缩，主要是因为纤维起到了约束基体的作用。
图4收缩性能试验
Fig.4Shrinkage performance test
图5收缩随龄期变化曲线
Fig.5Shrinkage-age variation curve
1.4 钢筋受拉应力-应变曲线
采用HRB400普通钢筋和HRB635高强钢筋制作带肋桥面板。每种钢筋截取3个试件进行单轴拉伸试验，试件直径为16 mm，两种钢筋的受拉应力-应变曲线如图6所示（N16表示直径16 mm普通钢筋，H16表示直径16 mm高强钢筋）。可以看出，两种钢筋的力学性能均与规范较为吻合，且表现出较好的塑性性能。
图6钢筋应力-应变曲线
Fig.6Stress-strain curve of reinforcement
2 带肋板抗弯性能试验
2.1 试件制作
为研究不同配筋条件下UHPC带肋桥面板的抗弯性能，取计算单元进行抗弯试件制作，如图7所示，并进行三分点加载测试。所有试件尺寸均保持一致，主要试验参数为钢筋种类及配筋率，纵筋采用HRB400钢筋和高强HRB635钢筋，箍筋采用HPB300，试件参数如表4所示。试件编号中M代表抗弯试件，400和635分别代表HRB400钢筋和高强HRB635钢筋，100和200代表板纵横向筋间距，1.2%代表纤维体积掺量，L代表肋部配筋少。试件M-400-100-1.2的尺寸及配筋如图8所示。UHPC带肋桥面板的制作过程如图9所示。
图7主梁及抗弯试件
Fig.7Main beam and bending test specimen
表4UHPC带肋桥面板单元抗弯试件参数
Tab.4Bending test specimen parameters of UHPC ribbed bridge deck
图8M-400-100-1.2试件尺寸及配筋
Fig.8M-400-100-1.2 specimen dimensions and reinforcement
图9试件制作过程
Fig.9Fabrication process of specimens
2.2 试验加载
在试验过程中，UHPC带肋桥面板的抗弯性能试验采用分级加载制度，在裂缝宽度达到0.1 mm之前，采用荷载控制，每级10 kN，加载速率为10 kN/min。当裂缝宽度达到0.1 mm后，采用位移控制，加载速率为1 mm/min。试验加载装置如图10所示。
图10试验加载装置
Fig.10Device of testing loading
2.3 试验结果及分析
不同配筋条件下UHPC带肋桥面板的荷载-位移曲线如图11所示，桥面板承载能力极限状态下的主要特征指标如表5所示。从图11可以看出，不同配筋条件下UHPC带肋桥面板均具有很好的延性性能。对比M-635-100-1.2和M-400-100-1.2可以看出，在相同配筋率下，采用高强钢筋可以显著提高UHPC带肋桥面板的极限承载力，但会使构件的延性降低约47%。与M-400-100-1.2相比，试件M-635-100-1.2-L虽然刚度和延性有所减小，但极限承载力较为接近，因此，采用高强钢筋可显著降低构件的用钢量，进而达到低碳目的。对比M-635-100-1.2和M-635-200-1.2可以看出，板内高强钢筋配筋率减小50%会使构件的延性提高约57%，但承载力会降低10%左右。
图11实测荷载-位移曲线
Fig.11Measured load-displacement curve
表5承载能力极限状态下主要特征指标
Tab.5Main characteristic indicators at ultimate load-bearing capacity state
UHPC带肋桥面板正常使用极限状态下主要特征指标如表6所示。对比M-635-100-1.2和M-400-100-1.2可以看出，在相同弯矩下，采用高强钢筋可以显著减小UHPC带肋桥面板的裂缝宽度。虽然板内高强钢筋配筋率减小50%，在相同弯矩下，M-400-100-1.2和M-635-200-1.2裂缝宽度保持不变。因此，在UHPC中使用高强钢筋，可以在降低成本的同时充分发挥材料的优越性能。另外，对比试件M-635-100-1.2-L与M-600-100-1.2可以看出，肋部钢筋对UHPC带肋桥面板的裂缝有显著影响。
表6正常使用极限状态下主要特征指标
Tab.6Main characteristic indicators at normal serviceability limit state
不同配筋条件下UHPC带肋桥面板的最终破坏状态如图12所示。可以看出，不同配筋条件下的UHPC带肋桥面板均表现出了典型的受弯破坏特征，即混凝土在受拉区出现大量竖向弯曲裂缝，受压区边缘混凝土发生受压破坏。试验结果表明，UHPC能够与高强钢筋形成良好的配合，充分发挥高强钢筋的材料性能。
图12试件破坏状态
Fig.12Failure state of specimens
不同配筋条件下UHPC带肋桥面板的经济性指标如表7所示。可以看出，与普通钢筋相比，UHPC与高强钢筋可以达到更高的经济性指标。但是当高强钢筋的配筋量较少时，由于无法充分发挥UHPC的优异性能，经济性指标有所减低，仅能达到普通钢筋的水平。
表7经济性分析
Tab.7Economic analysis
3 带肋板抗冲切性能试验
3.1 试件制作
为研究不同配筋条件下UHPC带肋桥面板的抗冲切性能，取计算单元进行抗冲切试件制作，如图13所示，并按轮胎着地面积进行加载测试。所有试件尺寸保持一致，纵筋采用HRB400钢筋和高强HRB635钢筋，箍筋采用HPB300钢筋，主要试验参数为桥面板配筋率及钢筋种类，试件参数如表8所示。试件编号中P代表抗冲切试件，400和635分别代表HRB400钢筋和高强HRB635钢筋，100、150、200代表板纵横向筋间距，1.2%代表纤维体积掺量。其中，试件P-400-100-1.2的配筋如图14所示。
图13主梁及抗冲切试件
Fig.13Main beam and punching shear test specimen
表8UHPC带肋桥面板单元抗冲切试件参数
Tab.8Punching shear test specimen parameters of UHPC ribbed bridge deck
3.2 试验加载
在试验过程中，UHPC带肋桥面板的抗冲切性能试验采用分级加载制度，在裂缝宽度达到0.1 mm之前，采用荷载控制，每级10 kN，速率取为10 kN/min。当裂缝宽度达到0.1 mm后，采用位移控制，速率取为1 mm/min。试验加载装置如图15所示。
图14P-400-100-1.2试件尺寸及配筋
Fig.14P-400-100-1.2 specimen dimensions and reinforcement
图15试验加载装置
Fig.15Device of testing loading
3.3 试验结果及分析
不同配筋条件下UHPC带肋桥面板的荷载-冲切点位移曲线如图16所示，各试件最终破坏状态如图17所示。从图16和图17可以看出，所有试件均呈冲切破坏，且具有较大延性，破坏时双向钢筋均已屈服。相同配筋率下，采用高强钢筋约可提高板的受冲切承载力25%，而随着板高强钢筋配筋率提高一倍，板的受冲切承载力只提高了5%左右，可见UHPC板的抗冲切性能受高强钢筋配筋率的影响较小。
图16实测荷载-位移曲线
Fig.16Measured load-displacement curve
图17试件破坏状态
Fig.17Failure state of specimens
4 结论
1）由1.2%体积掺量的平直形镀铜微细钢纤维配置的UHPC与2.2%体积掺量的端钩形镀铜微细钢纤维配置的UHPC相比，虽然纤维掺量减少了45%，但各龄期抗压强度和弹性模量仅少量降低。
2）在单轴拉伸试验中，2.2%体积掺量UHPC表现出明显的拉伸应变硬化特征，1.2%体积掺量UHPC则表现为拉伸应变软化特征。
3）不同配筋条件下UHPC带肋桥面板均具有良好的延性性能，采用高强钢筋可以显著提高UHPC带肋桥面板的极限承载力，但会使构件的延性降低。合理调整配筋率可以在满足结构设计要求的前提下，实现低碳和高性能的设计目标。
4）不同配筋条件下UHPC带肋桥面板均呈现出冲切破坏模式，且具有较大延性。相同配筋率下，采用高强钢筋约可提高板的受冲切承载力25%。此外，UHPC板的抗冲切性能受高强钢筋配筋率影响较小。
总体而言，本研究证明了在UHPC中合理使用较低体积掺量的钢纤维和高强钢筋，可以在降低成本的同时充分发挥材料的优越性能，提高结构的耐久性和经济性。这为UHPC在桥梁工程中的广泛应用提供了理论依据和实践指导。
