配筋超高性能混凝土井盖试验及现场使用性能测试

苏家战， 张惠彬， 黄卿维， 陈宝春， 韦建刚

(福州大学土木工程学院， 福建 福州 350116)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)具有超高抗压强度、 超强耐久性和耐侵蚀性等特点[1-2]， 广泛应用于桥梁结构及电缆沟盖板中[3-4]. 在UHPC结构设计中， 可采用较为轻薄的厚度. 在相同抗弯能力前提下， UHPC结构重量仅为钢筋混凝土结构的1/2到1/3， 几乎与钢结构相近. 因此， 将UHPC应用于城市道路中的井盖， 既可提高井盖的使用性能及耐久性能， 又便于检修维护. 选择文献钢纤维混凝土检查井盖中用于城市一般道路、 公路和停车场的C250级井盖作为UHPC井盖承载能力的设计背景， 在满足C250级井盖构造和几何尺寸要求的前提下， 以结构形式和钢纤维掺量为试验参数， 对UHPC井盖进行试验研究和有限元分析， 并进行现场交通车辆负荷测试， 验证井盖的实际使用性能.

1 试验概况

1.1 井盖设计和材料特性

以结构形式和钢纤维掺量为参数， 制作8个配筋UHPC井盖， 在结构形式方面， 井字肋和十字肋UHPC 井盖的设计以钢纤维混凝土井盖为参考， 如图1和图2所示， 两种井盖内部均配置有直径为6 mm的钢筋网. 井盖厚度为40 mm， 钢纤维体积掺量Vf为0～3%， 试验井盖参数如表1所示.

图1 井字肋井盖结构尺寸(单位： mm)Fig.1 Configuration of well-shaped manhole cover (unit: mm)

图2 十字肋井盖结构尺寸(单位： mm)Fig.2 Configuration of cross-ribbed manhole cover (unit: mm)

表1 试验井盖参数一览表

UHPC井盖的基体材料配合比为42.5号普通硅酸盐水泥∶硅灰∶砂∶高效减水剂=1∶0.3∶1.2∶0.025， 水胶比为0.18. 选用直径为0.2 mm， 长度为13.0 mm， 抗拉强度为2 850 MPa的钢纤维. UHPC井盖采用蒸汽养护， 养护过程分为静停、 升温养护及自然养护三个阶段. 首先， 试验井盖拆模后进入静停养护， 用保水薄膜覆盖其上， 并保持湿润24 h； 其次， 采用蒸汽养护72 h， 其升温速度不大于12 ℃·h-1， 降温速度不超过15 ℃·h-1， 环境相对湿度不低于95%； 最后进行自然养护， 表面保持湿润不少于7 d. 十字肋井盖及其相同参数的井字肋井盖28 d UHPC的材料和钢筋的试验结果如表2所示. UHPC材料性能参照文献的方法进行测试， UHPC试块分别采用100 mm × 100 mm × 100 mm和100 mm × 100 mm × 300 mm测得UHPC立方体抗压强度fc与弹性模量Ec， UHPC弯曲抗折强度fs采用四点弯曲法进行测试， 试块采用100 mm × 100 mm × 400 mm.

表2 材料性能试验结果

1.2 试验装置

UHPC井盖通过加橡胶垫块和刚性垫块(钢板)来模拟均布荷载并进行单点加载， 如图3所示. 试验加载采用分级制度， 每级加载为预计极限荷载的0.1， 持荷3～5 min后记录仪表读数. 为得到井盖的初裂荷载和裂缝为0.2 mm时的荷载， 开裂前先以10 kN的速度进行每级加载， 达到50 kN时再以5 kN的速度加载. 临近极限荷载时， 采用慢速连续加载， 同时连续记录各级荷载所对应的变形值. 本试验以井盖第一条裂缝时刻的荷载为初裂荷载； 以无法继续加载而停止试验时刻的荷载为破坏荷载. 正式试验前需进行预加载， 其荷载不超过预计极限荷载的5%. 混凝土应变片埋设在井盖肋的中间部位、 井盖肋变截面处和井盖面板底面中心位置处， 位移传感器设置在井盖圆心处面板底面位置， 测量井盖在荷载作用下的竖向位移.

2 试验结果分析

图4给出钢纤维掺量为3%的井字肋与十字肋UHPC井盖的荷载-位移曲线， 可以看出两种井盖的受力过程非常相似， 但井字肋井盖的结构刚度和延性明显高于十字肋井盖. 具体表现为： 加载初期的荷载-位移曲线基本为线性， 试件处于弹性工作阶段， 井盖尚未出现裂缝； 当井字肋和十字肋井盖的荷载继续增大至出现首条裂缝， 此时荷载分别为95.0和70.0 kN， 即初裂荷载. 井字肋井盖的首条裂缝出现在肋中部底面， 而十字肋井盖的首条裂缝出现在面板底面. 随着荷载的增加， 荷载-位移曲线并未像普通混凝土那样出现明显的转折点， 这是由于UHPC中钢纤维的“桥接”作用， 使得初裂位置处的混凝土还能够继续承受应力， 试件并未发生明显的刚度变化.

当荷载继续增加至裂缝宽度为0.20 mm时， 此时荷载为裂缝荷载， 井字肋和十字肋井盖所对应的裂缝荷载分别为175和120 kN. 由于临界裂缝的形成使得试件井盖的刚度明显下降， 荷载-位移曲线明显出现拐点. 随着荷载再次增加， 试件井盖的位移增加较大， 直至荷载分别达到极限值253和200 kN时， 井盖无法继续承载而停止试验， 此时视为达到各自的极限承载力. 由于文献C250级井盖规定裂缝荷载和破坏荷载需分别要求不低于125和250 kN， 因此井字肋井盖可以满足C250级井盖对开裂荷载和破坏荷载的要求， 而十字肋井盖无法满足上述要求.

图5给出了不同钢纤维体积掺量的井字肋UHPC井盖关键荷载对比图. 井盖的初裂荷载、 裂缝荷载和破坏荷载随着钢纤维掺量的增加而递增， 且均较为明显， 主要是由于钢纤维可以提高混凝土的抗拉强度， 能有效地延缓UHPC井盖的开裂以及裂缝的开展； 尤其是当钢纤维掺量从无(0)到有(0.5%)的变化最为明显， 其破坏荷载从115 kN提高到165 kN， 提高幅值达到了50 kN.

图4 荷载-跨中挠度曲线Fig.4 Load-deflection curves

图5 不同纤维掺量的井盖关键荷载变化图Fig.5 Relationship between critical loads of cover with different steel fiber volume fraction

图6给出图4中两种井盖的破坏照片， 可看出井字肋井盖的裂缝主要位于板的跨中位置， 呈十字形破坏， 而十字肋井盖的裂缝位于肋的变截面位置处， 呈四边形破坏. 这是由于井字肋井盖采用双肋结构， 承载能力较高； 十字肋井盖采用单肋结构， 结构受力类似加劲的板结构， 以板中间部位受力， 承载能力较低.

图6 井盖底面破坏图Fig.6 Failure model of the undersurface of cover

3 有限元分析

运用ABAQUS有限元程序建立UHPC井盖的数值分析实体模型. UHPC和钢筋分别选用三维实体单元C3D8R和桁架单元T3D2， 混凝土钢筋之间的相互作用采用ABAQUS中的内置区域方法来模拟， 使得混凝土节点与钢筋节点之间不存在相对滑移. 采用周边均简支且水平方向受约束的边界条件. 试验荷载通过对中间加载板模型施加均布荷载来实现， 加载块设置弹性模量为2×104GPa， 以确保模拟加载过程中加载块不发生变形. 两个加载块底面与混凝土表面通过绑定约束粘结为一体， 采用在加载块顶面施加均布荷载来模拟试验荷载， 井盖模型如图7所示.

图7 有限元模型Fig.7 Finite element model

UHPC的单轴受压应力-应变曲线形式与普通混凝土的近似一致， 考虑到UHPC受压应力-应变曲线上升段的线性段较长， 采用高幂次的多项式取代二次幂对曲线进行模拟； 曲线下降段的数学模型与普通混凝土的基本相同. 本文采用ABAQUS中Standard/Explicit模块提供的混凝土损伤塑形模型进行分析. UHPC材料的受压和受拉本构关系选取文献的试验拟合公式， 如下式:

其中:x=ε/εp，y=σ/fc，ε和σ分别是UHPC材料的压、 (拉)应变和对应的压(拉)应力；εp和fc分别是UHPC材料的峰值压(拉)应变和对应的峰值压(拉)应力. UHPC对应的受压应力-应变关系和受(拉)应力-应变关系分别如图8所示. 普通钢筋受拉(压)本构关系取值一致均采用二折线模型.

图8 UHPC应力-应变关系曲线Fig.8 Relationship of stress-strain of UHPC

此外， 混凝土损伤塑性模型还需识别膨胀角β、 偏心率m、 强度比f、 不变应力比γ和粘性系数， 上述参数取值参考文献， 如表3所示. 同时， 由于井盖在试验过程中， 存在加载点的对中偏差， 因此引入偏心1.0 mm的初始缺陷.

表3 UHPC损伤塑性模型中材料基本参数

从井字肋和十字肋井盖的试验值与有限元计算值比较图(图9)可以看出， 由于UHPC井盖制作过程中存在尺寸偏差、 空泡， 使得试验井盖的刚度比有限元模型有所降低， 而且钢纤维分布不均匀会导致其材料特性与模型中的理想值有所区别， 因此试验值与有限元计算结果有一定的差别. 尤其是有限元模型中尚无法模拟钢纤维和混凝土之间的“桥接”作用， 使得试验值和有限元计算值的曲线在初始阶段相差较为明显， 但有限元分析结果与试验值的增长趋势基本一致. 除外， 井字肋井盖的开裂荷载和破坏荷载均大于十字肋井盖， 这与试验结果是一致的. 说明本文所采用的有限元方法可用于UHPC井盖的模拟， 但模拟精度不高， 还有待进一步的改进.

图9 井盖荷载-挠度曲线Fig.9 Load-deflection curve of cover

4 UHPC井盖现场使用破坏现象分析

根据公路水泥混凝土路面疲劳断裂设计标准， 可对井盖的疲劳使用性能进行分析. 由于试验场地交通量在工作日和非工作日， 以及不同时段交通拥挤程度均相差巨大， 因此分别在工作日和非工作日各进行一次24 h不间断的交通量调查. 通过记录通往试验路段和负荷在井盖位置的交通流量， 计算现场在时间和空间上的交通量分布情况. 表4分别列出工作日和非工作日24 h内， 经过不同井盖的道路交通量统计值. 统计结果表明， 两次不同时段内的车道车流量最大为2 246辆和1 650辆， 根据文献第3.0.7条规定， 现场交通等级为重交通等级.

表4 交通量汇总表

采用裂缝测量仪对UHPC井盖进行定时的观测(观测频率为1次/周). 观测结果表明， 车轮经过井盖时振动较小， 井盖面板未出现局部破损、 开裂等病害现象， 并且井盖的橡胶垫块仅出现局部挤压变形和错位. 首条裂缝宽度为0.05 mm， 出现在使用试验的第6个月后； 随着使用时间的增加， 裂缝长度和宽度均有所扩展， 主要分布在肋的底面， 其裂缝扩展方向为平行行车方向； 当使用9个月后， 裂缝宽度均不超过0.2 mm； 直到现场试验结束时(共计2年)， UHPC井盖的裂缝长度和宽度均未再次扩展.

5 结语

井字肋UHPC井盖的极限承载力、 结构刚度和延性均优于十字肋UHPC井盖， UHPC井字肋井盖可以满足钢纤维混凝土检查井盖对C250级井盖的相关要求； 随着钢纤维掺量的增加， UHPC井盖的初裂荷载、 裂缝荷载和破坏荷载均有较为明显的提高； 虽然试验值与有限元计算结果有一定的差别， 但两者的增长趋势基本一致； 现场使用过程中UHPC井盖与井座吻合良好， 产生噪音和振动较小， 具有优越的抗振动和抗车辆冲击性能； UHPC井盖在使用过程中产生了宽度不超过0.2mm的裂缝， 但保持不扩展且没有形成通缝， 能符合钢纤维混凝土检查井盖的规定.