UHPC加固箱梁顶板受弯性能试验研究 张阳+党祺+穆程摘 要：提出密配筋UHPC（超高性能混凝土）加固鋼筋混凝土箱梁顶板方法，以消除混凝土箱梁顶板因开裂导致结构承载能力和耐久性普遍降低两类病害.为探究该加固方法在集中荷载下的箱梁顶板横向受弯性能，对3块足尺箱梁顶板局部模型进行试验研究.试验结果表明：负弯矩作用下， 受拉的UHPC层显著提高了加固板的抗裂性能和刚度；加固试验板的开裂强度取决于UHPC的弹性抗拉性能；裂缝宽度为0.2 mm时的持荷水平相对于未加固试验板提高了255.8%；当裂缝宽度小于0.27 mm时，荷载与最大裂缝宽度关系近似线性.正弯矩作用下，UHPC层受压，加固试验板的开裂强度取决于封闭裂缝所用黏胶的抗拉强度；因为普通混凝土区域裂缝出现较早，正弯矩加固板在前期表现出略微偏大的挠度，但后期挠度和裂缝宽度的增长速度均明显小于未加固板，致密的UHPC层为箱梁顶板提供良好的防水性能，加固层对正弯矩试验板刚度的提高和裂缝发展的控制效果较为明显；破坏形态符合预期，破坏荷载与理论计算结果吻合良好.Key：桥梁工程；加固；超高性能混凝土（UHPC）；开裂；抗弯承载力：U443.32； TU528.58 文献标志码：AAbstract：A method for retrofitting the top slab of the reinforced concrete box girder with high-reinforcement-ratio UHPC is proposed in order to mitigate the loss of the capacity and durability of the bridge due to the cracking of the top slab. Test on the local models of three top slabs of the box girder is then conducted to investigate the effect of this retrofit method on the lateral flexural behavior of the top slabs under the concentrated loads. The test results show that the UHPC layer subjected to tensile stress induced by negative bending moment improves the cracking resistance and stiffness of the retrofitted slab significantly； The cracking resistance of the retrofitted slab is dependent on the elastic tensile strength of the UHPC； Compared with the unretrofitted slab， the load resistance of the retrofitted slab with the crack width of 0.2 mm increases by 255.8%； When the crack width is less than 0.27 mm， a linear relationship between the load and the maximum crack width is found. On the other hand， when the UHPC layer is subjected to compressive stress induced by positive bending moment， the cracking resistance of the slab is determined by tensile strength of the glue used for sealing cracks. Due to premature cracks in the unretrofitted part of the slab， the retrofitted slab subjected to positive bending moment exhibits a little larger deflection， but the growth rates of both the deflection and crack width of the retrofitted slab during the later period are clearly less than those of the unretrofitted slab. In addition， the top slab is well waterproofed by the compact UHPC layer. The retrofitting layer can effectively enhance the stiffness of the tested slab subjected to positive bending moment and control the crack growth. Failure patterns basically meet the expectations， and the theoretical calculation agrees well with the failure loads.Key words：bridge engineering； strengthening；ultra-high performance concrete（UHPC）； crack； flexural capacity 我国现有的公路混凝土桥梁大多数是根据20世纪70年代至80年代初，甚至更早的设计标准建造的[1]，其结构普遍出现混凝土老化、破损、变形较大、开裂现象严重、桥梁持荷能力明显下降等病害[2].对于这类桥梁的加固，寻找一个安全可靠、耐久性高的加固方法尤为重要.现有加固方法大致分为2大类，一类是无机材料黏接形式：如高强不锈钢绞线聚合砂浆加固法等，加固材料强度较低，加固对原结构刚度和延性提高不明显；另一类是有机材料黏接形式，如粘贴纤维布加固法及粘贴钢板加固法等，此类加固方法都需要使用环氧结构胶，而有机材料耐高温性能及耐火性能相对较差，耐久性能也有待提高[3].超高性能混凝土（UHPC）是一种新型纤维增强水泥基复合材料，其抗压强度超过150 MPa，抗拉强度超过5 MPa（或7 MPa），并具有良好的耐久性[4].由于钢纤维分布及其方向的随机性，实际工程中通常配置普通钢筋以稳定提高UHPC的抗拉强度[5].研究表明，由于UHPC材料自身超高的抗拉强度及抗拉韧性，UHPC加固方法可以在一定程度上提高普通混凝土板的刚度和延性[6-7].本文研究的UHPC加固方法采用抗剪栓钉连接方式，同时充分利用UHPC与普通混凝土的表面黏接力来提供界面抗剪能力，依靠配筋UHPC自身超高的材料性能增强加固结构的整体刚度、延性及承载能力.使用UHPC加固方法不仅可以使原结构正常使用状态得到大幅改善，并且基本不增加结构自重，耐久性极强，更为关键的是其有效避免了有机黏接剂的耐久性差问题对加固带来的巨大危害.但是，目前关于UHPC材料应用于加固的情况，国内外尚无完善的规范，也缺乏工程实践经验，因此有必要通过试验研究配筋UHPC加固普通混凝土箱梁顶板在正/负弯矩作用下的抗弯拉性能.国外学者研究了界面粗糙度对UHPC黏接力的影响[8]、配筋UHPC板受弯性能[9]、配筋UHPC与普通混凝土通过环氧树脂胶构成的新型组合板的受弯性能[10]和配筋UHPC与预应力混凝土组合梁的结构性能[11].国内学者研究了钢-UHPC组合板的受弯性能[12]和高性能复合砂浆钢筋网加固RC板的受弯性能[13].目前国内外对采用剪力钉连接方式的UHPC加固混凝土板的弹性极限、裂缝发生发展情况、承载能力及破坏形态鲜见报道.赤石特大桥是汝郴高速公路上的一座预应力混凝土双索面斜拉桥，2014年10月29日下午4时许，赤石特大桥6#索塔汝城-郴州方向左幅主塔锚固区内起火，事故造成大桥混凝土主梁顶板开裂严重，开裂区域裂缝主要以与箱梁轴线约呈30°～60°夹角的斜向裂缝为主.本文针对赤石特大桥火灾事故，设计了密配筋UHPC加固赤石特大桥混凝土箱梁桥面板静力正/负弯矩加载试验，对加固结构的弹性极限、开裂强度、整体刚度、裂缝发生发展情况、承载能力及破坏形态等进行测试，从中总结出相应的特征和规律，以探明密配筋UHPC加固箱梁顶板的受弯性能，供混凝土箱梁加固设计与工程应用参考.1 试验概况1.1 试件设计及材料特性试验前期准备阶段，在赤石特大桥项目部现场浇筑3块足尺箱梁顶板局部模型作为试验板.各试件的尺寸相同，沿桥梁横向长度为3 200 mm，横向净跨为3 000 mm，沿桥梁纵向长度为2 000 mm，厚度为280 mm，其中加固试验板厚度增加50 mm的密配筋UHPC.试件及其主要参数如图1所示.UHPC加固层中布置纵横双向钢筋网，通过在顶板上植入长为150 mm的抗剪栓钉与箱梁顶板连接.为充分模拟混凝土箱梁顶板的实际开裂情况，在对试验板进行加固之前先对其中2个试件进行扭转预压，使其产生与顶板横向成45°夹角的斜裂缝（如图1（d）所示）.3块试件分别为未加固对比试件、正弯矩加固试件和负弯矩加固试件.试验中UHPC材料主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、高效减水剂、混杂钢纤维组成.端钩型钢纤维长13 mm，直径0.2 mm，掺入体积分数为2%；圆直型钢纤维长8 mm，直径0.12 mm，掺入体积分数为1.5%.UHPC加固层中钢筋直径为10 mm，等级为HRB400，箱梁顶板材料为C55普通钢筋混凝土，顶板内钢筋间距15 cm，钢筋直径16 mm，等级为HRB400.剪力钉直径为13 mm，高度150 mm，对钉帽以下部分进行压纹（如图1（c）所示），植入箱梁顶板深度为115 mm，UHPC加固层中高度为35 mm，剪力钉沿纵向、横向间距均为300 mm，剪力钉布置如图1（b）所示.试验中浇筑加固层时制作9个100 mm×100 mm×100 mm的UHPC立方体试块与6个100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块，与加固板在相同的室内环境下养护24 h后，待UHPC終凝，加固板与试块脱模后蒸气养护48 h，养护温度控制在90～100 ℃.按照标准试验程序[14]测试UHPC的基本力学性能，结果见表1.1.2 试验加载及测量方案本试验的3块试件均为跨中集中加载的简支试件.试验采用1 500 kN油压千斤顶进行加载.为保证试件在水平方向自由移动，在试件的一端使用滚轴支座.为便于负弯矩加载时测量UHPC加固层顶面裂缝宽度，采取油压千斤顶从下向上施加荷载的反向加载方案，正弯矩仍采取正向加载.试验中主要测量了试件的跨中和端支座位移、UHPC加固层侧面和底部静态应变，以及底部开裂后的裂缝宽度等.电阻应变片的数据用TDS-602静态数据采集仪采集.同时，为了更好地测试UHPC加固层开裂后的受拉应变情况，在UHPC加固层顶面布置3个引伸仪.试验中挠度数据由百分表测得，引伸仪增量及支座位移由千分表测得，试件的绝对挠度由跨中挠度减去支座位移得到，荷载由千斤顶油压表和压力传感器共同监控，试验中裂缝宽度由智能裂缝观测仪监控，其精度为0.01 mm.试验测点及引伸仪布置如图2，图3和图4所示. 2 试验结果及分析2.1 正弯矩加固试验板2.1.1 荷载挠度曲线。