带湿接缝的预制UHPC-NC组合板试验与分析

张轶 张阳，2 刘颖峰 邱俊峰

1.湖南大学 土木工程学院， 长沙 410082； 2.湖南大学 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室， 长沙 410082；3.福建省交通规划设计院有限公司 近海公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心， 福州 350004

UHPC 通过提高材料组分的细度与活性，不使用粗骨料，按最大密实度理论进行级配，减小材料内部的缺陷，同时掺入钢纤维，最大限度提高混凝土的力学性能，是一种具有超高抗拉压性能、超高耐久性以及超高韧性的新型水泥基复合材料［1-2］。将UHPC 引入预制装配式桥梁结构，用UHPC 部分替代NC 板，形成底部UHPC、顶部NC 的UHPC-NC 组合板结构，能更好地发挥UHPC 的高抗拉强度和高韧性，保护上层NC，延缓结构开裂。UHPC 具有高耐久性，UHPC-NC组合板可适用于复杂恶劣的服役环境。然而，预制装配式桥梁普遍存在湿接缝薄弱、易损坏等问题，国内外对于采用UHPC作为湿接缝材料已有不少研究。阳晴等［3］进行了UHPC 铰缝梁受力性能研究，发现UHPC铰缝梁开裂荷载和极限荷载比NC 铰缝梁分别提高477.0%和215.1%。尹炳森［4］研究了漏斗形和楔形UHPC 接缝板抗弯性能，结果表明两种湿接缝构造形式不会降低接缝板承载力，接缝界面的开裂荷载远大于预制板内普通混凝土的开裂荷载，且界面裂缝的扩展缓慢，主裂缝都位于普通混凝土内。Qiu等［5］研究了12 块UHPC 接缝板抗弯性能，结果表明局部加高T 形接缝抗裂性能优异，承载力高，但延性较差，而矩形接缝承载力低，延性较好。与完整板相比，局部加高T 形和矩形接缝的开裂荷载分别增加28.8%和减少30.0%，极限荷载分别增加18.4%和降低15.8%。此外，一些学者对UHPC湿接缝进行了有限元模拟研究。Hussein 等［6］建立了UHPC 与高强度混凝土连接界面的三维有限元研究模型，并与试验相互验证，根据不同粗糙度给出了基于牵引分离准则的黏聚力模型参数推荐值。胡志坚等［7］采用黏聚力模型对UHPC-NC界面进行模拟，通过已有试验结果验证模型正确性并进行参数分析。龙佩恒等［8］研究了UHPC 湿接缝合理宽度并进行有限元模拟和参数分析，发现宽30 cm 的UHPC 湿接缝板抗弯承载能力最佳，且配筋率对板开裂、破坏位置及抗弯性能影响显著。Yin 等［9］对UHPC干字形湿接缝板进行了精细化建模，界面采用黏聚力模型，发现干字形湿接缝力学性能明显优于菱形湿接缝，推荐湿接缝配筋率取4.8%。

综上，将UHPC应用于湿接缝已有较多研究，但针对UHPC-NC 组合板这一新结构的湿接缝鲜有涉及。本文采用UHPC 作为接缝材料，制作1 块UHPC-NC 组合湿接缝板模型，通过模型试验研究其受力性能、破坏模式，并采用ABAQUS 软件进行参数分析，优化组合板湿接缝关键参数，以期为预制UHPC-NC 组合板的设计施工提供参考。

1 模型试验及结果

1.1 试件设计与制作

制作了1 块接缝板试件并进行四点弯曲性能试验。试件尺寸为210 cm（长） × 70 cm（宽） × 35 cm（高），底层UHPC 厚4.5 cm，上层NC 厚30.5 cm，层间设置竖向界面锚筋；接缝采用UHPC现浇，宽20 cm，在层间设置菱形企口，NC 层设置抗剪键齿，接缝处采用直径12 mm 的U形钢筋交错锚固形式，设置界面加密钢筋，UHPC 层界面处配筋率为2.87%，界面加密钢筋长45 cm，弯剪段存在钢筋配筋率变化截面。试件尺寸与钢筋布置见图1。

图1 试件尺寸与钢筋布置（单位：mm）

试件浇筑过程为：①绑扎底层UHPC 钢筋网并浇筑UHPC；②浇筑后48 h 拆模并进行UHPC 板表面人工机械凿毛处理，然后90 ℃蒸汽养护48 h；③以UHPC层为底模，绑扎上层NC 钢筋网并浇筑NC，常温自然养护28 d；④湿接缝界面人工机械凿毛处理，界面充分湿润后浇筑接缝UHPC材料，常温自然养护28 d。

1.2 试验材料

采用预制UHPC 干混料和商品混凝土浇筑试件，其中组合板UHPC 层（蒸汽养护）钢纤维体积掺量为2.0%，接缝部位UHPC（自然养护）钢纤维体积掺量为2.5%。钢纤维长13 mm，直径为0.2 mm。组合板NC部分采用C50商品混凝土。钢筋采用直径为8、12 mm的HRB400 钢筋。根据GB/ T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》［10］与GB/ T 31387—2015《活性粉末混凝土》［11］浇筑并完成了包括立方体抗压、轴心抗压、轴心抗拉、抗折强度，以及弹性模量在内的材料性能测试。混凝土、钢筋材料性能分别见表1和表2。

表1 混凝土材料性能

表2 钢筋材料性能

1.3 试验结果

试件破坏过程可分为开裂前、裂缝发展、破坏三个阶段。①开裂前阶段：试件在出现肉眼可见裂缝之前处于线弹性受力阶段。试件刚度基本不变，荷载挠度线性增加。初裂荷载（Pcr）为179.5 kN。②裂缝发展阶段：界面首先出现裂缝并沿湿接缝界面向上延伸，两侧预制板底部UHPC 层也相继出现裂缝。随着荷载的增加，纵筋配筋率变化截面的裂缝数量迅速增加，裂缝细而密并逐渐连成一条主裂缝。试件刚度逐渐降低，挠度增加较快。预制板UHPC 开裂荷载（Pucr）为290.0 kN。③破坏阶段：达到极限荷载后，荷载开始缓慢下降。弯剪段形成一条主裂缝并迅速扩展，在此过程中界面裂缝产生回缩现象，伴有钢纤维拔出的嘶嘶声，UHPC 基体粉末掉落，挠度迅速增加。在钢筋被拉断后荷载急速下降，试验停止。极限荷载（Pu）为576.6 kN。

试验板最终破坏形态见图2。图中红色线条代表不同混凝土间的界面。可见，接缝板在达到破坏时，顶部NC 未压碎，主裂缝处钢筋颈缩断裂，接缝部位结构较为完好。接缝板只有弯剪段变化截面的一条主裂缝，侧面裂缝分布基本与底部裂缝一一对应，主裂缝附近的UHPC 底板存在大量细小密集的裂缝，越靠近接缝界面裂缝越少，湿接缝内部未出现裂缝。

图2 试验板最终破坏形态

2 有限元建模验证

采用ABAQUS 有限元软件对试验板进行模拟计算，将计算结果与试验结果对比，验证建模方法的正确性与合理性，进而对组合湿接缝板进行参数分析。

2.1 模型建立

根据接缝试验板尺寸进行建模，板宽方向取半结构以减少单元网格数量，提高计算效率，最终建立的1/2 模型如图3 所示。其中，NC 和UHPC 采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2 单元，加载点支座和梁体支座采用刚度非常大的实体垫块来模拟。纯弯段网格长度为25 mm，剪跨段为50 mm，模型共计15 504 节点，12 396 个单元。采用位移加载形式，荷载通过垫块传递到接缝板。

图3 有限元模型

2.2 材料本构

采用塑性损伤模型（Concrete Damage Plasticity，CDP）来模拟NC 及UHPC 的开裂和软化行为。CDP 模型基本参数见表3。

表3 CDP模型基本参数

CDP 模型中所需的混凝土应力-应变关系采用以下三种取值方式。

1）C50 混凝土拉压本构采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［12］推荐模型，受拉、受压应力-应变曲线按规范确定。

2）湿接缝板的两种UHPC受压本构采用文献［13］所建模型。UHPC受压应力（σc）-应变（ε）公式为

式中：fc为UHPC峰值抗压强度；ε0为UHPC峰值应变，取3 500 × 10-6；n为弹模比，n=Ec/Es；Ec为初始弹性模量；Es为峰值点割线模量；ξ为应变比，ξ=ε/ε0。

3）UHPC 受拉本构采用文献［14］所建模型。受拉弹性阶段与应力硬化段公式为

式中：ft为UHPC 应变硬化阶段平均应力，取初裂强度和极限强度的平均值；εca为UHPC弹性阶段最大应变，取198 × 10-6；εpc为UHPC极限拉应变，取765 × 10-6。

应力软化段公式为

式中：ω为裂缝宽度；p为拟合参数，取0.95；ωp为曲线上应力下降至2-p·ft时的裂缝宽度，取1 mm；lc为截面特征长度；Eu为UHPC弹性模量。

UHPC应力-应变曲线见图4。

图4 UHPC应力-应变曲线

钢筋本构采用具有强化段的三折线理想弹塑性模型，其屈服强度和极限强度按表2取值。

2.3 界面模拟

在各个装配部件的关系中，组合接缝板存在UHPC-NC 和UHPC-UHPC 两种界面，界面接触模拟对模型开裂荷载计算十分重要。ABAQUS 程序内提供的适用于混凝土接触模拟方法主要有三种：①绑定约束；②接触摩擦模型；③黏聚力模型。本文采用黏聚力模型中的黏聚面来模拟不同混凝土之间的接触关系。黏聚力模型基于牵引分离准则，而牵引分离准则最常用的本构模型为双线性本构模型，见图5。图中上升段斜率为界面法向黏结刚度和界面上两个正交的切向黏结刚度knn、kss、ktt，顶点为界面法向最大黏结强度和两个切向的最大黏结强度tn、ts、tt，下降段末端为损伤极限位移δf，双折线包围的面积为总能量G。

黏聚力模型属于损伤模型，本文采用的损伤准则为二次应力准则，即

式中：σn为法向应力；σt、σs为两个正交的切向应力。

当接触面应力状况满足式（5）时，接触面开始出现损伤，随着损伤的发展，当塑性位移或能量到达损伤极限位移或总能量时，界面完全脱粘。本文采用的黏聚力模型参数参考文献［6］的推荐值并在该基础上结合试验值进行调整修正。具体参数见表4。

表4 界面黏聚力模型参数

2.4 计算结果分析

2.4.1 破坏模式

有限元模型与试验模型破坏模式对比见图6，图中白色边界表示混凝土间的界面，DAMAGEC、DAMAGET 表示单元受压、受拉损伤系数，均为无量纲数，其值为CDP 模型参数中设定的最大损伤因子时，单元完全破坏。可见，有限元模型和试验模型均发生弯剪破坏，主裂缝位于弯剪段纵筋变化截面处。有限元模型受拉损伤主要发生于界面旁NC 单元和弯剪段斜截面单元，其中弯剪段裂缝连成一片并向上延伸，延伸至顶层混凝土后沿水平方向发展；接缝旁NC 单元损伤沿界面向上发展，有限元模型裂缝与实际裂缝开展位置、趋势均相同。有限元模型顶部混凝土几乎没有产生受压损伤，与试验模型顶部NC 未发生压溃相符合。

图6 有限元模拟与试验板破坏模式对比

2.4.2 荷载-位移曲线

有限元模型和试验模型荷载位移曲线对比见图7。可知：①开裂前有限元模型和试验模型的荷载位移曲线基本一致，刚度无明显差化。②开裂后，由于界面模拟中界面单元无厚度，界面产生开裂损伤后对有限元模型整体刚度影响较小，而实际试验中界面开裂后试验板刚度明显下降，导致计算刚度偏大。③在破坏阶段，荷载开始缓慢下降，荷载-位移曲线吻合较好；达钢筋极限应变后钢筋拉断，荷载突降。

图7 有限元模型和试验模型荷载-位移曲线对比

2.4.3 荷载特征值

有限元模拟中将界面损伤开始时的荷载作为初裂荷载，UHPC 底板单元应变达到设置的峰值应变作为UHPC 开裂荷载。荷载特征值对比见表5。可知，有限元模拟值与试验值的Pcr、Pucr与Pu吻合较好，相对误差均在10%以内，且计算结果偏于安全。

表5 荷载特征值对比

综上，该建模方法计算得到的破坏模式、荷载位移曲线，以及荷载特征值与试验得到的数据均吻合良好，说明该建模方法可靠有效，可以用于建立参数分析模型。

3 参数分析

为探究试验板各部位关键参数对其抗弯性能的影响，对组合湿接缝板的UHPC层板厚、纵筋配筋率以及湿接缝构造形式进行了参数分析，分析时仅取跨中挠度为12 mm前的荷载-位移曲线进行对比。

3.1 UHPC板厚

在总梁高不变的情况下，为研究不同UHPC 层板厚对组合板湿接缝抗弯性能的影响，对UHPC 层板厚分别为2.5、3.5、5.5、6.5 cm 的模型进行了数值模拟。通过模拟计算发现，在仅改变UHPC-NC 组合板湿接缝模型的UHPC层板厚情况下，模型的破坏模式不变，均发生弯剪破坏，主裂缝位于弯剪段配筋率变化截面。不同UHPC板厚模拟计算结果见图8。

图8 不同UHPC板厚模拟计算结果

由图8（a）可知，不同UHPC 层板厚模型前期刚度基本相同，界面均首先产生裂缝，但界面单元厚度为0，界面单元发生开裂失效而导致的模型整体刚度下降幅度不明显。2.5 cm 板厚模型在303.4 kN 时最先发生刚度明显下降，而6.5 cm板厚模型在464.6 kN才产生明显的刚度下降。原因是随着荷载的增加，由于UHPC 优异的抗拉性能，更厚的UHPC 层能更好地保护上层NC，延缓破损开裂，保持模型刚度。不同UHPC 层板厚模型在钢筋强化作用下缓慢到达极限荷载后各曲线趋于一致。

由图8（b）可知，板厚对模型界面开裂荷载几乎无影响；增加UHPC 层板厚可以小幅提高UHPC 层开裂荷，与2.5 cm 板厚模型相比，3.5、4.5、5.5、6.5 cm 模型开裂荷载分别提高了3.1%、8.2、16.0%、28.4%；对于模型屈服荷载，UHPC 板越厚，越能抑制NC 的开裂，延缓开裂则降低了钢筋应力，因此提高了钢筋的屈服荷载，与2.5 cm 板厚模型相比，3.5、4.5、5.5、6.5 cm的屈服荷载分别提高了2.5%、18.0%、26.7%、30.0%。由于模型发生弯剪破坏，UHPC 层厚度变化对模型到达极限荷载时的剪压区NC、箍筋、裂缝界面骨料咬合力、纵筋销栓等提供的抗剪贡献无显著影响，因此UHPC板厚对极限荷载影响不大。

3.2 配筋率

为研究UHPC层纵筋配筋率对湿接缝板的抗弯性能影响，对UHPC 层配筋率为1.28%、1.43%（无界面加密钢筋）、1.99%、3.91%、5.11%的模型进行了数值模拟。通过模拟计算发现，在仅改变UHPC-NC 组合湿接缝板模型的底层UHPC 板纵向钢筋配筋率情况下，配筋率为1.27%、1.43%时，由于钢筋在接缝界面处配筋率过小，不能抑制接缝界面裂缝的开展，模型发生弯曲破坏，主裂缝为界面裂缝，而其余配筋率模型均发生弯剪破坏，主裂缝位于弯剪段配筋率变化截面。因此，设置界面加密钢筋并保证界面配筋率对于抑制接缝界面裂缝和改善湿接缝受力性能有着重要作用。不同受拉纵筋配筋率模拟计算结果见图9。

图9 不同受拉纵筋配筋率模拟计算结果

由图9 可知：①不同配筋率模型前期刚度基本相同，在挠度达到3 mm 左右时，高配筋率（3.91%、5.11%）提高了弯剪段配筋率变化截面相对薄弱的抗裂性能，抑制弯剪段裂缝开展，因此较低配筋率板荷载-位移曲线在因弯剪段裂缝开展而出现明显平台段时，高配筋率板仍能保持强化趋势上升。②配筋率越大，模型延性越好。③改变配筋率对模型界面和UHPC 层开裂荷载基本无影响，但配筋率的提高可以有效地提高板的屈服荷载和极限荷载。相对于配筋率为1.27%板，配筋率为1.43%、1.99%、2.83%、3.91%、5.11%板的屈服荷载分别提高-1.2%、8.3%、31.5%、43.1%、46.5%，极限荷载分别提高12.5%、21.5%、49.1%、111.8%、153.6%。

3.3 湿接缝构造

为改善湿接缝受力模式，提高湿接缝抗裂性能，设计了倒T形接缝和矩形接缝进行模拟计算并与试验板（企口形）进行对比，结果见图10、图11。图10 中白色线条为混凝土界面部位。

图10 不同类型接缝裂缝云图

图11 不同类型接缝荷载-位移曲线

由图10、图11可知：①矩形构造、倒T形构造和企口形构造三种结构形式均发生弯剪破坏，主裂缝位于弯剪段。企口形和倒T 形构造裂缝发展较为类似，倒T 形构造界面形状更崎岖，能更好地抑制界面裂缝的开展，且T形转角处未开裂，保护了上层NC界面，具有更好的界面抗裂性能。矩形构造裂缝较少，裂缝发展快，抗裂性能较差。②三种接缝形式的荷载-位移曲线基本相同，各个特征荷载较为接近，但前期企口形接缝刚度最高，倒T形次之，矩形最低。矩形接缝由于裂缝较少，应力的集中释放导致裂缝开展过快，因此荷载过早出现下降，延性较差。综合三种结构的受力性能以及施工便利性，推荐采用企口形湿接缝构造。

4 结论

1）通过模型试验得到了新型预制UHPC-NC 组合湿接缝板的破坏模式为弯剪破坏形式，湿接缝界面首先开裂，但顶部NC及UHPC未压碎，弯剪段纵筋拉断，板沿斜截面破坏，表明湿接缝部位抗弯性能优异。

2）增加UHPC板厚可以增加组合湿接缝板的前期刚度，并使UHPC 层开裂荷载和屈服荷载分别提高3.1% ～ 28.4%、2.5% ～ 30.0%，但对极限承载力提升有限。

3）增加UHPC层配筋率可以有效提升组合湿接缝板的屈服荷载和极限荷载，提升幅度分别为8.3% ～31.5%、12.5% ～ 49.1%，而高配筋率下提高幅度达到43.1% ～ 46.5%、111.8% ～ 153.6%。在UHPC 纵筋配筋率低于1.43%时组合湿接缝板发生界面破坏。建议湿接缝界面UHPC层配筋率不应低于2%，并设置界面加密钢筋。

4）企口形、倒T形接缝抗裂效果和延性相近，且优于矩形接缝，但企口形构造更简单、施工更便捷，建议采用企口形湿接缝形式。